專利名稱：微波天線罩和天線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線罩，更具體地說，涉及微波天線罩和天線系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超材料，俗稱超材料，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)部的多個人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。基板可以虛擬地劃分為矩形陣列排布的多個基板單元，每個基板單元上附著有人造微結(jié)構(gòu)，從而形成一個超材料單元，整個超材料是由很多這樣的超材料單元組成的，就像晶體是由無數(shù)的晶格按照一定的排布構(gòu)成的。每個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)成的超材料對電場和磁場呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性；通過對人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計不同的具體結(jié)構(gòu)和形狀，可以改變整個超材料的響應(yīng)特性。一般情況下，天線系統(tǒng)都會設(shè)置有天線罩。天線罩的目的是保護(hù)天線系統(tǒng)免受風(fēng)雨、冰雪、沙塵和太陽輻射等的影響，使天線系統(tǒng)工作性能比較穩(wěn)定、可靠。同時減輕天線系統(tǒng)的磨損、腐蝕和老化，延長使用壽命。但是天線罩是天線前面的障礙物，對天線輻射波會產(chǎn)生吸收和反射，改變天線的自由空間能量分布，并在一定程度上影響天線的電氣性能。目前制備天線罩的材料多采用介電常數(shù)和損耗角正切低、機械強度高的材料，如玻璃鋼、環(huán)氧樹脂、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)計需兼顧工作波長、天線罩尺寸和形狀、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)天線免受外部環(huán)境影響的條件下不具備增強天線方向性和提高天線增益的功能，透波性能較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述透波性能較差，不能提高天線增益的缺陷，提供一種微波天線罩和天線系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種微波天線罩，所述微波天線罩罩設(shè)于微波天線上，包括超材料片層和覆蓋于超材料片層的兩相對表面的保護(hù)層，所述超材料片層包括基板和陣列排布在所述基板的兩相對表面的多個人造微結(jié)構(gòu)；所述基板和所述保護(hù)層的厚度相同；所述基板可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元的兩相對表面上分別排布有一個人造微結(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)為十字形結(jié)構(gòu)，所述十字形結(jié)構(gòu)的四個端部緊貼所述超材料單元的邊界。在本發(fā)明所述的微波天線罩中，所述超材料單元的長寬均為12. 5mm。在本發(fā)明所述的微波天線罩中，所述十字形結(jié)構(gòu)由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構(gòu)成。
在本發(fā)明所述的微波天線罩中，所述金屬絲的長度與超材料單元的邊長相等。在本發(fā)明所述的微波天線罩中，所述金屬絲的線寬為0. 1mm。在本發(fā)明所述的微波天線罩中，所述基板與所述保護(hù)層均由ABS材料制成。在本發(fā)明所述的微波天線罩中，所述基板與所述保護(hù)層的厚度為1mm。在本發(fā)明所述的微波天線罩中，所述人造微結(jié)構(gòu)的厚度為0. 018mm。在本發(fā)明所述的微波天線罩中，所述微波天線罩工作頻段為7 13. 45GHz。本發(fā)明還提供一種天線系統(tǒng)，包括微波天線，以及如上所述的微波天線罩，所述微波天線罩罩設(shè)于微波天線上，所述微波天線罩罩設(shè)于微波天線上。
實施本發(fā)明的技術(shù)方案，具有以下有益效果通過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罩的透波性能增強，抗干擾能力增力口?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，來改變材料的相對介電常數(shù)、折射率和阻抗，從而實現(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)天線罩設(shè)計時對材料厚度和介電常數(shù)的限制。而且本發(fā)明的天線罩透波效率很高，損耗較小。而且，微波天線加上天線罩后，天線的和輻射能力得到了加強，有效提高了增益，輻射方向性增強。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中圖I是依據(jù)本發(fā)明一實施例的微波天線罩的一個超材料片層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I所示的超材料片層的兩相對表面覆蓋保護(hù)層后形成的微波天線罩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明一實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是微波天線罩的S21參數(shù)仿真結(jié)果示意圖。
具體實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，通過對微結(jié)構(gòu)的有序排列，可以改變空間中每點的相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。超材料可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)普通材料無法具備的折射率、阻抗以及透波性能，從而可以有效控制電磁波的傳播特性?；谌嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的超材料天線罩可以通過調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，來改變材料的相對介電常數(shù)、折射率和阻抗，從而實現(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，提高天線的增益。本發(fā)明提供了一種微波天線罩，包括超材料片層I和覆蓋于超材料片層I的兩相對表面的保護(hù)層2，如圖I、圖2所示。超材料片層I包括基板10和陣列排布在基板10的兩相對表面的多個人造微結(jié)構(gòu)20 ;基板10和保護(hù)層2的厚度相同。10基板可劃分為多個超材料單兀，其中每一超材料單兀的兩相對表面上分別排布有一個人造微結(jié)構(gòu)20,每一人造微結(jié)構(gòu)20的尺寸相同；人造微結(jié)構(gòu)20為十字形結(jié)構(gòu),十字形結(jié)構(gòu)的四個端部緊貼超材料單元的邊界。超材料片層I和保護(hù)層2通過機械連接、焊接或粘合的方式組裝成一體，如圖3-4所示。為了保護(hù)人造微結(jié)構(gòu)不受損壞，超材料片層I的兩相對表面覆蓋兩層保護(hù)層，用于保護(hù)基板10的兩個相對表面上的人造微結(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。通常，在能夠滿足性能的情況下，一個超材料片層就可以作為微波天線罩來使用。陣列排布的人造微結(jié)構(gòu)所在平面與電磁波的電場和磁場方向平行，與入射電磁波傳播方向垂直。超材料片層I中的基板10可劃分為多個超材料單元。如圖3-5所示，每一超材料單兀上的兩相對表面上分別排布有一個人造微結(jié)構(gòu)20。在本發(fā)明一實施例中，每一超材料單元的長和寬為a = 12. 5mm。圖中所示的超材料單元的劃分個數(shù)僅為示意,并不作為對本發(fā)明的限制。圖中示出的天線罩是板狀矩形的，在實際使用時，可以根據(jù)需求設(shè)計成其它形狀。例如如果是圓形截面的喇叭天線，則為了將天線罩罩設(shè)于喇叭天線上，則需要設(shè)計成與天線的圓形截面相匹配的圓板狀，而不是圖I所示的矩形形狀；如果使用的是矩形截面的喇叭天線，則需要將天線罩設(shè)計成與天線的矩形口徑相匹配的矩形形狀。本發(fā)明對天線罩的具體形狀不做限制。
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的兩個相對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。如圖4-6所示，每一超材料單元的長寬相等，均為a = 12. 5mm，人造微結(jié)構(gòu)20的緊貼超材料單元的邊界。人造微結(jié)構(gòu)20為十字形結(jié)構(gòu)，十字形結(jié)構(gòu)由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構(gòu)成。十字形結(jié)構(gòu)的金屬絲的線寬w = 0. 1mm，金屬絲的長度與超材料單元的邊長相等?；?0與保護(hù)層2由ABS材料制成，基板10與保護(hù)層2的厚度為1mm，人造微結(jié)構(gòu)30的厚度為0. 018_。此處的數(shù)值僅為示例,在實際應(yīng)用中,可以依據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)整，本發(fā)明對此不作限制。在本發(fā)明一實施例中，基板10 由 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)材料制得。人造微結(jié)構(gòu)20通過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也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、FR4、F4B(聚四氟乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯,High Density Polyethylene)、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料制成。人造微結(jié)構(gòu)20采用銅線制成，當(dāng)然也可以采用銀線、IT0、石墨或者碳納米管等導(dǎo)電材料制成。附圖中示意的天線罩的形狀為平板狀，在實際設(shè)計時也可以根據(jù)實際需求來設(shè)計天線罩的形狀，比如可以設(shè)計成圓球狀或者與天線形狀匹配的形狀(共形的天線罩)等，也不排除使用多個平板狀結(jié)構(gòu)拼接成需要的形狀，本發(fā)明對此不作限制。圖7示出了微波天線罩的S參數(shù)示意圖，此實施例中，十字形結(jié)構(gòu)的金屬絲的線寬w = 0. Imm,金屬絲的長度與超材料單元的邊長a相等,均為12. 5mm?；?0與保護(hù)層2由ABS材料制成，基板10與保護(hù)層2的厚度為1mm，人造微結(jié)構(gòu)30的厚度為0. 018mm。由圖7可知，在頻率為13. 454GHz時，S21 = -0. 5dB，天線罩在7-13. 454GHz頻率范圍內(nèi)透射系數(shù)S21大于-0. 5dB。天線罩在7. 1-7. 8GHz頻率范圍內(nèi)具有良好的透波效果。本發(fā)明還提供一種天線系統(tǒng)，包括微波天線，以及如上文所述的微波天線罩，微波天線罩罩設(shè)于天線上。微波天線包括輻射源、饋電單元等，具體構(gòu)成可參閱相關(guān)技術(shù)資料，本發(fā)明對此不作限制。微波天線可以是例如但不限于喇叭天線等。本發(fā)明通過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^調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，來改變材料的相對介電常數(shù)、折射率和阻抗，實現(xiàn)對電磁波的調(diào)制，減少了傳統(tǒng)天線罩設(shè)計時對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，加強電磁波的透射，從而提高天線的方向性和增益。本發(fā)明的天線罩在7-13. 454GHz范圍內(nèi)的透波效率很高。天線加上天線罩后，天線的輻射能力得到提高，輻射方向性增強。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
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
1.一種微波天線罩，其特征在于，所述微波天線罩罩設(shè)于微波天線上，包括超材料片層和覆蓋于超材料片層的兩相對表面的保護(hù)層，所述超材料片層包括基板和陣列排布在所述基板的兩相對表面的多個人造微結(jié)構(gòu)；所述基板和所述保護(hù)層的厚度相同； 所述基板可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元的兩相對表面上分別排布有一個人造微結(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)為十字形結(jié)構(gòu)，所述十字形結(jié)構(gòu)的四個端部緊貼所述超材料單元的邊界。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微波天線罩，其特征在于，所述超材料單元的長寬均為12.5mmo
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微波天線罩，其特征在于，所述十字形結(jié)構(gòu)由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微波天線罩，其特征在于，所述金屬絲的長度與超材料單元的邊長相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微波天線罩，其特征在于，所述金屬絲的線寬為0.1mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微波天線罩，其特征在于，所述基板與所述保護(hù)層均由ABS材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微波天線罩，其特征在于，所述基板與所述保護(hù)層的厚度為Imnin
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微波天線罩，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)的厚度為0.018mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微波天線罩，其特征在于，所述微波天線罩工作頻段為7 13.45GHz。
10.一種天線系統(tǒng)，其特征在于，包括微波天線以及如權(quán)利要求I 9任一項所述的微波天線罩，所述微波天線罩罩設(shè)于微波天線上。
全文摘要
本發(fā)明涉及微波天線罩和天線系統(tǒng)。微波天線罩罩設(shè)于微波天線上，包括超材料片層和覆蓋于超材料片層的兩相對表面的保護(hù)層，所述超材料片層包括基板和陣列排布在所述基板的兩相對表面的多個人造微結(jié)構(gòu)；所述基板和所述保護(hù)層的厚度相同；所述基板可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元的兩相對表面上分別排布有一個人造微結(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)為十字形結(jié)構(gòu)，所述十字形結(jié)構(gòu)的四個端部緊貼所述超材料單元的邊界。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、尺寸來改變材料的相對介電常數(shù)、折射率和阻抗，加強電磁波的透射，提高了天線的方向性和增益。
文檔編號H01Q15/00GK102709694SQ201210128949
公開日2012年10月3日 申請日期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 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司