專(zhuān)利名稱(chēng)：超材料微波天線(xiàn)罩和天線(xiàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線(xiàn)罩，更具體地說(shuō)，涉及超材料微波天線(xiàn)罩和天線(xiàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超材料，俗稱(chēng)超材料，是一種新型人工合成材料，是由非金屬材料制成的基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內(nèi)部的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的?；蹇梢蕴摂M地劃分為矩形陣列排布的多個(gè)基板單元，每個(gè)基板單元上附著有人造微結(jié)構(gòu)，從而形成一個(gè)超材料單元，整個(gè)超材料是由很多這樣的超材料單元組成的，就像晶體是由無(wú)數(shù)的晶格按照一定的排布 構(gòu)成的。每個(gè)超材料單元上的人造微結(jié)構(gòu)可以相同或者不完全相同。人造微結(jié)構(gòu)是由金屬絲組成的具有一定幾何圖形的平面或立體結(jié)構(gòu)，例如組成圓環(huán)形、工字形的金屬絲等。由于人造微結(jié)構(gòu)的存在，每個(gè)超材料單元具有不同于基板本身的電磁特性，因此所有的超材料單元構(gòu)成的超材料對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性；通過(guò)對(duì)人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的具體結(jié)構(gòu)和形狀，可以改變整個(gè)超材料的響應(yīng)特性。一般情況下，天線(xiàn)系統(tǒng)都會(huì)設(shè)置有天線(xiàn)罩。天線(xiàn)罩的目的是保護(hù)天線(xiàn)系統(tǒng)免受風(fēng)雨、冰雪、沙塵和太陽(yáng)輻射等的影響，使天線(xiàn)系統(tǒng)工作性能比較穩(wěn)定、可靠。同時(shí)減輕天線(xiàn)系統(tǒng)的磨損、腐蝕和老化，延長(zhǎng)使用壽命。但是天線(xiàn)罩是天線(xiàn)前面的障礙物，對(duì)天線(xiàn)輻射波會(huì)產(chǎn)生吸收和反射，改變天線(xiàn)的自由空間能量分布，并在一定程度上影響天線(xiàn)的電氣性能。目前制備天線(xiàn)罩的材料多采用介電常數(shù)和損耗角正切低、機(jī)械強(qiáng)度高的材料，如玻璃鋼、環(huán)氧樹(shù)脂、高分子聚合物等，材料的介電常數(shù)具有不可調(diào)節(jié)性。結(jié)構(gòu)上多為均勻單壁結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)和空間骨架結(jié)構(gòu)等，罩壁厚度的設(shè)計(jì)需兼顧工作波長(zhǎng)、天線(xiàn)罩尺寸和形狀、環(huán)境條件、所用材料在電氣和結(jié)構(gòu)上的性能等因素，在保護(hù)天線(xiàn)免受外部環(huán)境影響的條件下不具備增強(qiáng)天線(xiàn)方向性和提高天線(xiàn)增益的功能，透波性能較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述透波性能較差，不能提高天線(xiàn)增益的缺陷，提供一種超材料微波天線(xiàn)罩和天線(xiàn)系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種超材料微波天線(xiàn)罩，所述超材料微波天線(xiàn)罩罩設(shè)于天線(xiàn)上，包括至少一個(gè)超材料片層，每一超材料片層包括基板和陣列排布在所述基板的兩相對(duì)表面的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；所述基板由HDPE材料制成；所述基板可劃分為多個(gè)超材料單元，其中每一超材料單元的兩相對(duì)表面上分別排布有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，每一人造微結(jié)構(gòu)的尺寸相同；所述人造微結(jié)構(gòu)包括緊貼所述超材料單元邊緣的口字形結(jié)構(gòu)以及位于所述超材料單元中心的方形貼片。在本發(fā)明所述的超材料微波天線(xiàn)罩中，所述超材料片層還包括覆蓋于所述基板的兩相對(duì)表面的保護(hù)層。在本發(fā)明所述的超材料微波天線(xiàn)罩中，所述口字形結(jié)構(gòu)由具有預(yù)設(shè)線(xiàn)寬的金屬絲構(gòu)成。
在本發(fā)明所述的超材料微波天線(xiàn)罩中，所述方形貼片為方形金屬貼片。在本發(fā)明所述的超材料微波天線(xiàn)罩中，每一超材料單元的長(zhǎng)和寬均為10_。在本發(fā)明所述的超材料微波天線(xiàn)罩中，所述基板的厚度為4mm，所述人造微結(jié)構(gòu)的厚度為0. 018mm。在本發(fā)明所述的超材料微波天線(xiàn)罩中，所述方形貼片的邊長(zhǎng)為5 6mm。在本發(fā)明所述的超材料微波天線(xiàn)罩中，所述超材料微波天線(xiàn)罩的工作頻率范圍為
7.I 8. 5GHz。在本發(fā)明所述的超材料微波天線(xiàn)罩中，所述方形貼片的邊長(zhǎng)為6mm，所述口字形結(jié)構(gòu)的線(xiàn)寬為0. 2mm。本發(fā)明還提供一種天線(xiàn)系統(tǒng)，包括天線(xiàn)，以及如上所述的超材料微波天線(xiàn)罩，所述超材料微波天線(xiàn)罩罩設(shè)于天線(xiàn)上。實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案，具有以下有益效果通過(guò)在基板上附著特定形狀的人造微結(jié)構(gòu)，得到需要的電磁響應(yīng)，使得基于超材料的天線(xiàn)罩的透波性能增強(qiáng)，抗干擾能力增力口?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，來(lái)改變材料的相對(duì)介電常數(shù)、折射率和阻抗，從而實(shí)現(xiàn)與空氣的阻抗匹配，以最大限度的增加入射電磁波的透射，減少了傳統(tǒng)天線(xiàn)罩設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)材料厚度和介電常數(shù)的限制。而且本發(fā)明的天線(xiàn)罩透波效率很高，損耗較小。而且，微波天線(xiàn)加上天線(xiàn)罩后，天線(xiàn)的輻射能力得到了加強(qiáng)，有效提高了增益，輻射方向性增強(qiáng)。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中圖I是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的超材料微波天線(xiàn)罩的一個(gè)超材料片層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是由多個(gè)圖I所示的超材料片層堆疊形成的超材料微波天線(xiàn)罩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的超材料片層的立體示意圖；圖4是圖3所示的超材料片層的立體透視示意圖；圖5是超材料片層上附著的人造微結(jié)構(gòu)排布示意圖；圖6是人造微結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7是超材料微波天線(xiàn)罩的S參數(shù)仿真結(jié)果示意圖；圖8是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的天線(xiàn)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，通過(guò)對(duì)微結(jié)構(gòu)的有序排列，可以改變空間中每點(diǎn)的相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。超材料可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)普通材料無(wú)法具備的折射率、阻抗以及透波性能，從而可以有效控制電磁波的傳播特性。基于人造微結(jié)構(gòu)的超材料天線(xiàn)罩可以通過(guò)調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，來(lái)改變材料的相對(duì)介電常數(shù)、折射率和阻抗，從而實(shí)現(xiàn)與空氣的阻抗匹配，以最大限度的增加入射電磁波的透射，提高電磁波輻射的方向性，提高天線(xiàn)的增益。本發(fā)明提供了一種超材料微波天線(xiàn)罩，包括至少一個(gè)超材料片層1，如圖I和圖2所不。每個(gè)超材料片層I包括基板10和附著在基板10上的陣列排布在基板10的兩相對(duì)表面的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)20。當(dāng)超材料片層I有多個(gè)時(shí)，各個(gè)超材料片層I沿垂直于片層的方向疊加，并通過(guò)機(jī)械連接、焊接或粘合的方式組裝成一體，如圖2所示。例如采用3層基板，兩層人造微結(jié)構(gòu)間隔排布在3層基板之間，另兩層人造微結(jié)構(gòu)分布排布在3層基板貼合后的兩個(gè)外表面。本發(fā)明對(duì)超材料片層的具體數(shù)量不做限制，可依據(jù)不同的增益需求來(lái)調(diào)節(jié)超材料層數(shù)，從而控制天線(xiàn)增益。通常，在能夠滿(mǎn)足性能的情況下，一個(gè)超材料片層就可以作為超材料微波天線(xiàn)罩來(lái)使用。陣列排布的人造微結(jié)構(gòu)所在平面與電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向平行，與入射電磁波傳播方向垂直。超材料片層I中的基板10可劃分為多個(gè)超材料單元。如圖3-5所示，每一超材料單兀上的兩相對(duì)表面上分別排布有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)20。在本發(fā)明一實(shí)施例中，每一超材料單元的長(zhǎng)和寬為b= 10_。圖中所示的超材料單元的劃分個(gè)數(shù)僅為示意,并不作為對(duì)本發(fā)明的限制。圖3是超材料片層的立體圖，基板10的兩表面上均規(guī)律排布有相同的人造微結(jié)構(gòu)20 ;圖4是圖3所示的超材料片層的透視圖，可以看出，基板10的兩個(gè)相對(duì)表面均排布一層人造微結(jié)構(gòu)20,每一超材料單兀上的兩相對(duì)表面上分別排布有相同的人造微結(jié)構(gòu)20,排布方式如圖5所示。在本發(fā)明一實(shí)施例中，為了保護(hù)人造微結(jié)構(gòu)不受損壞，超材料片層I還包括兩層保護(hù)層(未示出)，覆蓋于基板10的兩相對(duì)表面，用于保護(hù)基板10的兩個(gè)相對(duì)表面上的人造微結(jié)構(gòu)。保護(hù)層的材質(zhì)可以是與基板10相同或不同的透波性能好的材料，也可以是涂覆層，只要能夠保護(hù)人造微結(jié)構(gòu)不受損壞即可。如圖6所示，人造微結(jié)構(gòu)20包括緊貼超材料單元邊緣的口字形結(jié)構(gòu)21以及位于超材料單元中心的方形貼片22。在本發(fā)明一實(shí)施例中，每一人造微結(jié)構(gòu)20的尺寸相同?？谧中谓Y(jié)構(gòu)21由具有預(yù)設(shè)線(xiàn)寬的金屬絲構(gòu)成，方形貼片22為方形金屬貼片。預(yù)設(shè)線(xiàn)寬w例如但不限于0. 05 0. 3mm,方形貼片22的邊長(zhǎng)a為5 6mm。在本發(fā)明一實(shí)施例中，預(yù)設(shè)線(xiàn)寬w為0. 2mm,方形貼片22的邊長(zhǎng)a為6mm?；?0的厚度均為4mm，人造微結(jié)構(gòu)20的厚度為0. 018mm。此處的數(shù)值僅為示例，在實(shí)際應(yīng)用中，可以依據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整，本發(fā)明對(duì)此不作限制。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，基板10由HDPE(高密度聚乙烯，High DensityPolyethylene)材料制得。人造微結(jié)構(gòu)20通過(guò)蝕刻的方式附著在基板10上，當(dāng)然人造微結(jié)構(gòu)20也可以采用電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或者離子刻等方式附著在基板10上?；?0和基板30也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、FR4、F4B(聚四氟乙烯)、ABS (AcrylonitrileButadiene Styrene)材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料制成。人造微結(jié)構(gòu)20采用銅線(xiàn)制成，當(dāng)然也可以采用銀線(xiàn)、IT0、石墨或者碳納米管等導(dǎo)電材料制成。附圖中示意的天線(xiàn)罩的形狀為平板狀，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)也可以根據(jù)實(shí)際需求來(lái)設(shè)計(jì)天線(xiàn)罩的形狀，比如可以設(shè)計(jì)成圓球狀或者與天線(xiàn)形狀匹配的形狀(共形的天線(xiàn)罩)等，也不排除使用多個(gè)平板狀結(jié)構(gòu)拼接成需要的形狀，本發(fā)明對(duì)此不作限制。圖7示出了超材料微波天線(xiàn)罩的S參數(shù)示意圖，此實(shí)施例中，超材料微波天線(xiàn)罩包括一個(gè)超材料片層，每一超材料片層包括一個(gè)基板，基板的兩個(gè)相對(duì)表面分布排布有相同的人造微結(jié)構(gòu)，如圖4-6所示，口字形結(jié)構(gòu)21的預(yù)設(shè)線(xiàn)寬w為0. 2_，方形貼片22的邊長(zhǎng)a為6mm，超材料單元邊長(zhǎng)b為10mm。由圖7可知，天線(xiàn)罩在7. 1-8. 5GHz頻率范圍內(nèi)透射系數(shù) S21 大于-0. 3dB，反射系數(shù) Sll 小于-10dB。在 7. IGHz 時(shí)，S21 = -0. 28447dB，在 8. 5GHz時(shí)，S21 = -0. 26724dB，天線(xiàn)罩在7. 1-8. 5GHz頻率范圍內(nèi)具有良好的透波效果。圖8是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的天線(xiàn)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。超材料微波天線(xiàn)罩801罩設(shè)于天線(xiàn)802上，其中這里的天線(xiàn)802以喇叭天線(xiàn)進(jìn)行示意，并不作為對(duì)本發(fā)明的限制。超材料微波天線(xiàn)罩801與天線(xiàn)802固定連接形成封閉的腔體。超材料微波天線(xiàn)罩801的具體構(gòu)成和設(shè)計(jì)參見(jiàn)上文所述，此處不再贅述。天線(xiàn)802與超材料微波天線(xiàn)罩801之間的固定方式可以使螺母聯(lián)接，也可以是卡扣連接，本發(fā)明對(duì)固定方式不做限制。本發(fā)明通過(guò)在基板上附著特定形狀的人造微結(jié)構(gòu)，得到需要的電磁響應(yīng)?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，來(lái)改變材料的相對(duì)介電常數(shù)、折射率和阻抗，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的調(diào)制，減少了傳統(tǒng)天線(xiàn)罩設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)材料厚度和介電常數(shù)的限制，有效控制電磁波的傳播特性，加強(qiáng)電磁波的透射，從而提高天線(xiàn)的方向性和增益。
上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超材料微波天線(xiàn)罩，其特征在于，所述超材料微波天線(xiàn)罩罩設(shè)于天線(xiàn)上，包括至少一個(gè)超材料片層，每一超材料片層包括基板和陣列排布在所述基板的兩相對(duì)表面的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；所述基板由HDPE材料制成； 所述基板可劃分為多個(gè)超材料單元，其中每一超材料單元的兩相對(duì)表面上分別排布有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，每一人造微結(jié)構(gòu)的尺寸相同；所述人造微結(jié)構(gòu)包括緊貼所述超材料單元邊緣的口字形結(jié)構(gòu)以及位于所述超材料單元中心的方形貼片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料微波天線(xiàn)罩，其特征在于，所述超材料片層還包括覆蓋于所述基板的兩相對(duì)表面的保護(hù)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料微波天線(xiàn)罩，其特征在于，所述口字形結(jié)構(gòu)由具有預(yù)設(shè)線(xiàn)寬的金屬絲構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超材料微波天線(xiàn)罩，其特征在于，所述方形貼片為方形金屬貼片。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料微波天線(xiàn)罩，其特征在于，每一超材料單元的長(zhǎng)和寬均為10mnin
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超材料微波天線(xiàn)罩，其特征在于，所述基板的厚度為4mm，所述人造微結(jié)構(gòu)的厚度為0. 018mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超材料微波天線(xiàn)罩，其特征在于，所述方形貼片的邊長(zhǎng)為5 .6mm o
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料微波天線(xiàn)罩，其特征在于，所述超材料微波天線(xiàn)罩的工作頻率范圍為7. I 8. 5GHz。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超材料微波天線(xiàn)罩，其特征在于，所述方形貼片的邊長(zhǎng)為.6mm,所述口字形結(jié)構(gòu)的線(xiàn)寬為0. 2mm。
10.一種天線(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括天線(xiàn)，以及如權(quán)利要求I 9任一項(xiàng)所述的超材料微波天線(xiàn)罩，所述超材料微波天線(xiàn)罩罩設(shè)于天線(xiàn)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及超材料微波天線(xiàn)罩和天線(xiàn)系統(tǒng)。所述超材料微波天線(xiàn)罩罩設(shè)于天線(xiàn)上，包括至少一個(gè)超材料片層，每一超材料片層包括基板和陣列排布在所述基板的兩相對(duì)表面的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；基板由HDPE材料制成；基板可劃分為多個(gè)超材料單元，其中每一超材料單元的兩相對(duì)表面上分別排布有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，每一人造微結(jié)構(gòu)的尺寸相同；所述人造微結(jié)構(gòu)包括緊貼所述超材料單元邊緣的口字形結(jié)構(gòu)以及位于所述超材料單元中心的方形貼片。本發(fā)明在基板上附著特定形狀的人造微結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸來(lái)改變材料的相對(duì)介電常數(shù)、折射率和阻抗，加強(qiáng)電磁波的透射，提高天線(xiàn)的方向性和增益。
文檔編號(hào)H01Q1/42GK102683842SQ20121012768
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者劉若鵬, 方小偉, 王海蓮, 趙治亞 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司