專利名稱：超材料微波天線罩及天線系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及天線罩，更具體地說，涉及超材料微波天線罩及天線系統(tǒng)。
背景技術：
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)部的多個人造微結構構成的?；蹇梢蕴摂M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構，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成的。每個超材料單元上的人造微結構可以相同或者不完全相同。人造微結構是由金屬絲組成的具有一定幾何圖形的平面或立體結構，例如組成圓環(huán)形、工字形的金屬絲等。
由于人造微結構的存在，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成的超材料對電場和磁場呈現(xiàn)出特殊的響應特性；通過對人造微結構設計不同的具體結構和形狀，可以改變整個超材料的響應特性。一般情況下，天線系統(tǒng)都會設置有天線罩。天線罩的目的是保護天線系統(tǒng)免受風雨、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。結構上多為均勻單壁結構、夾層結構和空間骨架結構等，罩壁厚度的設計需兼顧工作波長、天線罩尺寸和形狀、環(huán)境條件、所用材料在電氣和結構上的性能等因素，較難達到高透波要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的上述透波性能較差的缺陷，提供一種超材料微波天線罩及天線系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是構造一種超材料微波天線罩，所述超材料微波天線罩工作在7. 0-8. 5GHz頻率范圍，所述超材料微波天線罩罩設于天線上，包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括第一基板、第二基板和夾設在第一基板和第二基板之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結構；所述人造微結構包括雪花形結構，所述雪花形結構包括十字形結構以及分別設置在所述十字形結構的四個端點上的四個尺寸相同的一字形結構。在本發(fā)明所述的超材料微波天線罩中，所述超材料片層中的第一基板可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元上排布有一個所述人造微結構。在本發(fā)明所述的超材料微波天線罩中，每一超材料單元的長和寬均為9mm，所述人造微結構與所述超材料單元的邊界之間的距離為O. 1_。在本發(fā)明所述的超材料微波天線罩中，所述十字形結構由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構成。在本發(fā)明所述的超材料微波天線罩中，所述一字形結構由一條金屬絲構成，所述十字形結構垂直平分所述四個一字形結構。在本發(fā)明所述的超材料微波天線罩中，所述十字形結構和一字形結構的金屬線的線寬為O. 1mm。在本發(fā)明所述的超材料微波天線罩中，所述一字形結構的長度為5. 2^5. 6mm。在本發(fā)明所述的超材料微波天線罩中，所述第一基板和第二基板的厚度均為2mm。在本發(fā)明所述的超材料微波天線罩中，所述第一基板和第二基板由ABS材料制得。本發(fā)明還提供一種天線系統(tǒng)，包括天線以及如上所述的超材料微波天線罩，所述超材料微波天線罩罩設于天線上。實施本發(fā)明的技術方案，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構，得到需要的電磁響應，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)人造微結構的形狀、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)明的天線罩的工作在7. 0-8. 5GHz頻率范圍，且在此頻帶內(nèi)的透波效率很高，損耗較小。


下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中圖I是依據(jù)本發(fā)明一實施例的超材料微波天線罩的一個超材料片層的結構示意圖；圖2是由多個圖I所示的超材料片層堆疊形成的超材料微波天線罩的結構示意圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明一實施例的超材料片層的結構示意圖；圖4是人造微結構的排布示意圖；圖5是人造微結構的示意圖；圖6是超材料微波天線罩的S參數(shù)示意圖；圖7是超材料微波天線罩與純ABS天線罩的S21參數(shù)對比示意圖；圖8是超材料微波天線罩與空氣的阻抗匹配示意圖。
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)的人工復合結構材料，通過對微結構的有序排列，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構的超材料天線罩可以通過調(diào)節(jié)人造微結構的形狀、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。并可通過調(diào)節(jié)微結構尺寸進行頻率選擇，根據(jù)需要調(diào)整相應透波和濾波頻率。、
本發(fā)明提供了一種超材料天線罩，包括至少一個超材料片層I，如圖I和圖2所示。每個超材料片層I包括第一基板10、第二基板20和夾設在兩基板之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結構30。人造微結構包括雪花形結構，所述雪花形結構包括十字形結構以及分別設置在所述十字形結構的四個端點上的四個尺寸相同的一字形結構。當超材料片層I有多個時，各個超材料片層I沿垂直于片層的方向疊加，并通過機械連接、焊接或粘合的方式組裝成一體，如圖2所示。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超材料天線罩來使用。陣列排布的人造微結構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中的第一 基板10可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元上排布有一個人造微結構。圖3示出了超材料片層的結構示意圖(透視圖)。超材料片層I包括兩塊相同的均勻等厚的片狀基板相對設置的第一基板10和第二基板20，所述第一基板10的面向第二基板20的表面上附著有陣列排布的人造微結構30。超材料片層I可劃分為多個超材料單兀，其中每一超材料單兀上排布有一個所述人造微結構。在本發(fā)明一實施例中，以兩個基板為例進行說明，但是在實際設計時，也可以僅采用第一基板，而人造微結構陣列排布在第一基板10上，同樣能夠達到本發(fā)明的目的。如圖4-5所示，每一超材料單元的長和寬均為a=9mm，相鄰的人造微結構30之間的間距為O. 2mm，人造微結構30與超材料單元的邊界之間的距離為w2=0. 1mm。每一人造微結構30包括雪花形結構，雪花形結構包括十字形結構31以及分別設置在所述十字形結構的四個端點上的四個尺寸相同的一字形結構32。十字形結構31由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構成。一字形結構32由一條金屬絲構成，十字形結構31垂直平分四個一字形結構32。十字形結構31和一字形結構32的金屬線的線寬wl=0. 1mm。一字形結構的長度為b=5. 2 5. 6mm。在本發(fā)明一實施例中，一字形結構的長度為b=5. 5mm。第一基板10和第二基板20的厚度均為2mm,人造微結構30的厚度為O. 018mm。十字形結構31的金屬線的長度為
8.6mm。此處的數(shù)值僅為示例，在實際應用中，可以依據(jù)實際需求進行調(diào)整，本發(fā)明對此不作限制。在本發(fā)明一實施例中，第一基板10和第二基板20由ABS (AcrylonitrileButadiene Styrene)材料制得。第一基板10和第二基板20之間通過填充液態(tài)基板原料或者通過組裝相互連接在一起。人造微結構30通過蝕刻的方式附著在第一基板10上，當然人造微結構30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第一基板10或第二基板20上。第一基板10和第二基板20也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、PP(聚丙烯)、FR4、HDPE (高密度聚乙烯，High Density Polyethylene)、F4B (聚四氟乙烯)、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料制成。人造微結構30采用銅線制成，當然也可以采用銀線、ΙΤ0、石墨或者碳納米管等導電材料制成。附圖中示意的天線罩的形狀為平板狀，在實際設計時也可以根據(jù)實際需求來設計天線罩的形狀，比如可以設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構拼接成需要的形狀，本發(fā)明對此不作限制。本實施例的超材料微波天線罩的S參數(shù)隨頻率變化的示意圖如圖6-7所示，所用第一基板10和第二基板20由ABS材料制得。由圖6可以看到，在7-8. 5GHz頻率范圍內(nèi)S21接近于0，S11很小。圖7是超材料微波天線罩與純ABS天線罩的S21參數(shù)對比示意圖，由圖7可以看到，本發(fā)明在基板上附著人造微結構后S21參數(shù)在7GHz時，S21參數(shù)為-O. 24224dB ；在8. 5GHz時，S21參數(shù)為-O. 28249dB。從圖7中可知，在7_8. 5GHz頻率范圍內(nèi)S21參數(shù)基本上都大于-0.3dB。通過對純ABS天線罩與加了人造微結構的S21參數(shù)對比(圖7)，可以得出加了人造微結構的超材料微波天線罩比純ABS天線罩的透波性能高很多，非常適合做透波天線罩。圖8示出了超材料微波天線罩的介電常數(shù)ε、磁導率μ和阻抗η示意圖，可以看出，在7-8. 5GHz范圍內(nèi)，阻抗η接近于I，與空氣匹配極佳。采用本發(fā)明的天線罩具有良好的透波性能，損耗較小。本發(fā)明還提供一種天線系統(tǒng)，包括天線，以及如上文所述的超材料微波天線罩，超材料微波天線罩罩設于天線上。天線包括輻射源、饋電單元等，具體構成可參閱相關技術資料，本發(fā)明對此不作限制。天線可以是例如但不限于平板天線。本發(fā)明通過在基板上附著特定形狀的人造微結構，得到需要的電磁響應，使得基 于超材料的天線罩的透波性能增強，抗干擾能力增加?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)人造微結構的形狀、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)天線罩設計時對材料厚度和介電常數(shù)的限制。而且本發(fā)明的超材料微波天線罩工作在7-8. 5GHz頻率范圍，在此頻帶內(nèi)的透波效率很高，損耗較小。上面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，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，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權利要求
1.一種超材料微波天線罩，其特征在于，所述超材料微波天線罩工作在7. 0-8. 5GHz頻率范圍，所述超材料微波天線罩罩設于天線上，包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括第一基板、第二基板和夾設在第一基板和第二基板之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結構； 所述人造微結構包括雪花形結構，所述雪花形結構包括十字形結構以及分別設置在所述十字形結構的四個端點上的四個尺寸相同的一字形結構。
2.根據(jù)權利要求I所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述超材料片層中的第一基板可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元上排布有一個所述人造微結構。
3.根據(jù)權利要求2所述的超材料微波天線罩，其特征在于，每一超材料單元的長和寬均為9_，所述人造微結構與所述超材料單元的邊界之間的距離為O. 1_。
4.根據(jù)權利要求3所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述十字形結構由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構成。
5.根據(jù)權利要求4所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述一字形結構由一條金屬絲構成，所述十字形結構垂直平分所述四個一字形結構。
6.根據(jù)權利要求5所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述十字形結構和一字形結構的金屬線的線寬為O. 1mm。
7.根據(jù)權利要求6所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述一字形結構的長度為5.2 5. 6mm。
8.根據(jù)權利要求I所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述第一基板和第二基板的厚度均為2mm。
9.根據(jù)權利要求I所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述第一基板和第二基板由ABS材料制得。
10.一種天線系統(tǒng)，其特征在于，包括天線以及如權利要求Γ9任一項所述的超材料微波天線罩，，所述超材料微波天線罩罩設于天線上。
全文摘要
本發(fā)明涉及超材料微波天線罩及天線系統(tǒng)。所述超材料微波天線罩工作在7.0-8.5GHz頻率范圍，罩設于天線上，包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括第一基板、第二基板和夾設在第一基板和第二基板之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結構；人造微結構包括雪花形結構，雪花形結構包括十字形結構以及分別設置在所述十字形結構的四個端點上的四個尺寸相同的一字形結構。本發(fā)明的天線罩的工作在7.0-8.5GHz頻率范圍，在此頻帶內(nèi)的透波效率很高，損耗較小。
文檔編號H01Q1/42GK102723598SQ20121017389
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月30日 優(yōu)先權日2012年5月30日
發(fā)明者劉若鵬, 方小偉, 王凡, 王海蓮, 趙治亞 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司