專利名稱：寬頻大角度透波超材料天線罩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天線罩，尤其涉及一種寬頻大角度超材料透波天線罩。
背景技術(shù)：
一般情況下，天線系統(tǒng)都會(huì)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(yáng)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(shí)減輕天線系統(tǒng)的磨損、腐蝕和老化，延長(zhǎng)使用壽命。但是天線罩是天線前面的障礙物，對(duì)天線輻射波會(huì)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(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，較難達(dá)到高透波要求，而且天線罩的工作頻段較窄，在不同的頻段需求下需要更換天線罩，無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源的重復(fù)使用，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)以及設(shè)備成本的提高。并且現(xiàn)有的天線罩均只能在大致正入射的角度有一定的透波效果，當(dāng)天線罩內(nèi)的接收天線發(fā)生偏移或者外部的發(fā)射源位置發(fā)生偏移時(shí)，現(xiàn)有的天線罩的透波效果影響非常大；為解決這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)有的天線罩同時(shí)是增設(shè)伺服轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以根據(jù)天線或發(fā)射源的位置變化而變化角度，增設(shè)伺服轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)成本增加、維護(hù)麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種當(dāng)天線或發(fā)射源角度偏移較大時(shí)，仍能具有良好透波性能的天線罩。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是，提出一種寬頻大角度透波超材料天線罩，所述天線罩虛擬劃分為多個(gè)基本單元，每一基本單元長(zhǎng)寬小于所需響應(yīng)電磁波波長(zhǎng)的五分之一；所述基本單元包括四層基板，相鄰基板之間設(shè)置有第一半固化片、第二半固化片以及第三半固化片；所述第一半固化片與相鄰基板接觸的相對(duì)兩側(cè)表面分別設(shè)置有第一人造微結(jié)構(gòu)與第二人造微結(jié)構(gòu)，第二半固化片與相鄰基板接觸的任一表面設(shè)置有第三人造微結(jié)構(gòu)，第三半固化片與相鄰基板接觸的相對(duì)兩側(cè)表面分別設(shè)置有第四人造微結(jié)構(gòu)和第五人造微結(jié)構(gòu)；所述第一人造微結(jié)構(gòu)為實(shí)心正方形金屬貼片，所述第二人造微結(jié)構(gòu)為“十”字形金屬結(jié)構(gòu)，所述第三人造微結(jié)構(gòu)為邊長(zhǎng)大于第一人造微結(jié)構(gòu)的實(shí)心正方形金屬貼片，所述第四人造微結(jié)構(gòu)形狀與第二人造微結(jié)構(gòu)相同，所述第五人造微結(jié)構(gòu)形狀與第一人造微結(jié)構(gòu)相同；所述第一人造微結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)為I. 3至I. 35毫米，所述第二人造微結(jié)構(gòu)的兩條金屬分支長(zhǎng)度和線寬均相同，其長(zhǎng)度為2. 0至3. 0暈米，線寬為0. 2暈米。。進(jìn)一步地，所述基板材料為相對(duì)介電常數(shù)為3. 0至4. 0，損耗角正切為0. 04至0. 07的FR4材料。進(jìn)一步地，所述第一至第三半固化片的相對(duì)介電常數(shù)均為4. 0至4. 5，損耗角正切均為 0. 015 至 0. 02。進(jìn)一步地，所述基本單元尺寸為2. 0至2. 8毫米。進(jìn)一步地，所述第三人造微結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)比第一人造微結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)長(zhǎng)0. 2至0. 3毫米。進(jìn)一步地，所述第一人造微結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)為I. 32毫米。進(jìn)一步地，所述第二人造微結(jié)構(gòu)的兩條金屬分 支長(zhǎng)度為2. 5毫米。進(jìn)一步地，所述基板材料為相對(duì)介電常數(shù)為3. 5，損耗角正切為0. 06的FR4材料。進(jìn)一步地，所述第一至第三半固化片的相對(duì)介電常數(shù)為4. 1，損耗角正切為0. 016。進(jìn)一步地，所述基本單元的長(zhǎng)寬尺寸為2. 5毫米。本發(fā)明通過(guò)采用超材料原理設(shè)計(jì)透波天線罩，通過(guò)設(shè)置多層人造微結(jié)構(gòu)使得電磁波入射進(jìn)入天線罩時(shí)，天線罩的阻抗?jié)u變進(jìn)而達(dá)到阻抗匹配的效果，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和尺寸的微結(jié)構(gòu)使得天線罩在10-18GHZ頻段均有良好的透波性能，且當(dāng)天線與天線罩所成角度較大時(shí)，其透波性能依然良好。


圖I為構(gòu)成超材料的基本單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為構(gòu)成本發(fā)明寬頻大角度透波超材料天線罩的基本單元的剖視圖；圖3為第一人造金屬微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D；圖4為第二人造金屬微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D； 圖5第三人造金屬微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D；圖6第四人造金屬微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D；圖7第五人造金屬微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D；圖8為采用純FR4材料制成的天線罩，天線與天線罩的角度分別為0°、15°、30°、45°時(shí)的S21參數(shù)仿真圖；圖9為本發(fā)明寬頻大角度透波超材料天線罩，，天線與天線罩的角度分別為0°、15°、30°、45°時(shí)的S21參數(shù)仿真圖；圖10為本發(fā)明寬頻大角度透波超材料天線罩的阻抗匹配效果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。光，作為電磁波的一種，其在穿過(guò)玻璃的時(shí)候，因?yàn)楣饩€的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數(shù)，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細(xì)節(jié)參數(shù)來(lái)描述玻璃對(duì)光線的響應(yīng)。相應(yīng)的，在研究材料對(duì)其他電磁波響應(yīng)的時(shí)候，材料中任何尺度遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的響應(yīng)也可以用材料的整體參數(shù)，例如介電常數(shù)e和磁導(dǎo)率U來(lái)描述。通過(guò)設(shè)計(jì)材料每點(diǎn)的結(jié)構(gòu)使得材料各點(diǎn)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都相同或者不同從而使得材料整體的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率呈一定規(guī)律排布，規(guī)律排布的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)即可使得材料對(duì)電磁波具有宏觀上的響應(yīng)，例如匯聚電磁波、發(fā)散電磁波、吸收電磁波、透過(guò)電磁波等。該類(lèi)具有規(guī)律排布的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的材料稱之為超材料。如圖I所示，圖I為構(gòu)成超材料的基本單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖。超材料的基本單元一般包括人造微結(jié)構(gòu)2以及該人造微結(jié)構(gòu)附著的第一基板I。人造微結(jié)構(gòu)可為人造金屬微結(jié)構(gòu)，人造金屬微結(jié)構(gòu)具有能對(duì)入射電磁波電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)的平面或立體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改變每個(gè)超材料基本單元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)的圖案和/或尺寸即可改變每個(gè)超材料基本單元對(duì)入射電磁波的響應(yīng)。人造微結(jié)構(gòu)2上還可覆蓋有第二基板3，此時(shí)第二基板3、人造微結(jié)構(gòu)2以及第一基板I構(gòu)成超材料的基本單元。多個(gè)超材料基本單元按一定規(guī)律排列即可使得超材料對(duì)電磁波具有宏觀的響應(yīng)。由于超材料整體需對(duì)入射電磁波有宏觀電磁響應(yīng)因此各個(gè)超材料基本單元對(duì)入射電磁波的響應(yīng)需形成連續(xù)響應(yīng)，這要求每一超材料基本單兀的尺寸小于入射電磁波波長(zhǎng)的五分之一，優(yōu)選為入射電磁波波長(zhǎng)的十分之一。本段描述中，我們?nèi)藶榈膶⒊牧险w劃分為多個(gè)超材料基本單元，但應(yīng)知此種劃分方法僅為描述方便，不應(yīng)看成超材料由多個(gè)超材料基本單元拼接或組裝而成，實(shí)際應(yīng)用中超材料是將人造金屬微結(jié)構(gòu)周期排布于基材上即可構(gòu)成，工藝簡(jiǎn)單且成本低廉。周期排布即指上述人為劃分的各個(gè)超材料基本單元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)能對(duì)入射電磁波產(chǎn)生連續(xù)的電磁響應(yīng)。本發(fā)明利用上述超材料原理設(shè)計(jì)寬頻大角度透波超材料天線罩，與圖I不同的是，本發(fā)明寬頻大角度透波超材料天線罩的基本單元的基板中設(shè)置有多層微結(jié)構(gòu)。通過(guò)設(shè) 計(jì)不同的微結(jié)構(gòu)的排布實(shí)現(xiàn)阻抗匹配與大角度寬頻透波的效果。本發(fā)明通過(guò)如下方式設(shè)計(jì)(1)通過(guò)傳輸線理論建立電路模型、仿真并調(diào)整該電路模型直至得到所需效果并得出最終電路模型中的電容和電感值；(2)設(shè)計(jì)不同的微結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)上述電路模型中的電容和電感值。本發(fā)明中以金屬貼片實(shí)現(xiàn)改變對(duì)應(yīng)子單元的電容值，以“十”字形金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)改變對(duì)應(yīng)子單元的電感值。下面詳細(xì)描述本發(fā)明中各層子單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和尺寸。本發(fā)明寬頻大角度透波超材料天線罩的基本單元的剖視圖如圖2所示，其包括四層基板10，相鄰基板之間還設(shè)置有第一半固化片20、第二半固化片30以及第三半固化片40以加強(qiáng)天線罩的機(jī)械性能?；締卧拈L(zhǎng)寬尺寸優(yōu)選為2. 0至2. 8毫米，更優(yōu)選地，基本單元的長(zhǎng)寬尺寸為2. 5毫米。本發(fā)明中，第一半固化片20與相鄰基板接觸的相對(duì)兩側(cè)表面分別設(shè)置有第一人造微結(jié)構(gòu)21和第二人造微結(jié)構(gòu)22，第二半固化片30與相鄰基板接觸的任一表面設(shè)置有第三人造微結(jié)構(gòu)31，第三半固化片40與相鄰基板接觸的相對(duì)兩側(cè)表面分別設(shè)置有第四人造微結(jié)構(gòu)41和第五人造微結(jié)構(gòu)42。基板材料優(yōu)選為相對(duì)介電常數(shù)為3. 0至4. 0，損耗角正切為0. 04至0. 07的FR4材料，更優(yōu)選地，基板材料的相對(duì)介電常數(shù)為3. 5，損耗角正切為0. 06;第一至第三半固化片的相對(duì)介電常數(shù)均優(yōu)選為4.0至4. 5，第一至第三半固化片的損耗角正切均優(yōu)選為0. 015至0. 02，更優(yōu)選地，第一至第三半固化片的相對(duì)介電常數(shù)為4. I，損耗角正切為0. 016。本發(fā)明中人造微結(jié)構(gòu)被半固化片和基板夾持，能避免其在外界惡劣條件下被腐蝕以致影響天線罩整體的介電性能，能延長(zhǎng)天線罩的使用壽命。請(qǐng)參照?qǐng)D3、圖4、圖5、圖6和圖7，圖3至圖7分別為第一至第五人造金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤顖D。第一人造金屬微結(jié)構(gòu)為邊長(zhǎng)I. 3至I. 35毫米的實(shí)心正方形金屬貼片，第一人造金屬微結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)優(yōu)選為I. 32毫米；第二人造金屬微結(jié)構(gòu)為“十”字形金屬結(jié)構(gòu)，其兩條金屬分支長(zhǎng)度和線寬均相同，長(zhǎng)度為2. 0至3. 0毫米，線寬為0. 2毫米，第二人造微結(jié)構(gòu)兩條金屬分支長(zhǎng)度優(yōu)選為2. 5毫米；第三人造金屬微結(jié)構(gòu)為實(shí)心正方形金屬貼片，其邊長(zhǎng)比第一人造金屬微結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)長(zhǎng)0. 2至0. 3毫米；第四人造金屬微結(jié)構(gòu)與第二人造金屬微結(jié)構(gòu)相同；第五人造金屬微結(jié)構(gòu)與第一人造金屬微結(jié)構(gòu)相同。本實(shí)施例中采用上述人造金屬結(jié)構(gòu)能使得阻抗?jié)u變，從而達(dá)到阻抗匹配和大角度寬頻透波的效果。
作為對(duì)比例，圖8示出了使用傳統(tǒng)純FR4材料制備的天線罩，天線與天線罩的角度分別為0°、15°、30°、45°時(shí)的S21參數(shù)仿真結(jié)果圖，圖9為本發(fā)明超材料天線罩，天線與天線罩的角度分別為0°、15°、30°、45°時(shí)的S21參數(shù)仿真結(jié)果圖。從圖8和圖9的對(duì)比中可以看出，在10-18GHZ頻段，超材料天線罩不僅透波性能比純板材透波性能高約3dB，且在0°至45°的入射角度均具有良好的透波性能。圖10為本發(fā)明超材料天線罩的阻抗匹配測(cè)試結(jié)果圖。從圖10中可以看出，本發(fā)明采用多層匹配的人造金屬微結(jié)構(gòu)后，在10-18GHZ頻段內(nèi)其阻抗與空氣匹配極佳，阻抗值均值約等于I,透波率在90%以上。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
1.一種寬頻大角度透波超材料天線罩，其特征在于所述天線罩虛擬劃分為多個(gè)基本單元，每一基本單元長(zhǎng)寬小于所需響應(yīng)電磁波波長(zhǎng)的五分之一；所述基本單元包括四層基板，相鄰基板之間設(shè)置有第一半固化片、第二半固化片以及第三半固化片；所述第一半固化片與相鄰基板接觸的相對(duì)兩側(cè)表面分別設(shè)置有第一人造微結(jié)構(gòu)與第二人造微結(jié)構(gòu)，第二半固化片與相鄰基板接觸的任一表面設(shè)置有第三人造微結(jié)構(gòu)，第三半固化片與相鄰基板接觸的相對(duì)兩側(cè)表面分別設(shè)置有第四人造微結(jié)構(gòu)和第五人造微結(jié)構(gòu)；所述第一人造微結(jié)構(gòu)為實(shí)心正方形金屬貼片，所述第二人造微結(jié)構(gòu)為“十”字形金屬結(jié)構(gòu)，所述第三人造微結(jié)構(gòu)為邊長(zhǎng)大于第一人造微結(jié)構(gòu)的實(shí)心正方形金屬貼片，所述第四人造微結(jié)構(gòu)形狀與第二人造微結(jié)構(gòu)相同，所述第五人造微結(jié)構(gòu)形狀與第一人造微結(jié)構(gòu)相同；所述第一人造微結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)為I.3至I. 35毫米，所述第二人造微結(jié)構(gòu)的兩條金屬分支長(zhǎng)度和線寬均相同，其長(zhǎng)度為2. O至3.O毫米，線寬為0.2毫米。
2.如權(quán)利要求I所述的天線罩，其特征在于所述基板材料為相對(duì)介電常數(shù)為3.0至4.0，損耗角正切為0. 04至0. 07的FR4材料。
3.如權(quán)利要求2所述的天線罩，其特征在于所述第一至第三半固化片的相對(duì)介電常數(shù)均為4. 0至4. 5，損耗角正切均為0. 015至0. 02。
4.如權(quán)利要求3所述的天線罩，其特征在于所述基本單元尺寸為2.0至2. 8毫米。
5.如權(quán)利要求I所述的天線罩，其特征在于所述第三人造微結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)比第一人造微結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)長(zhǎng)0. 2至0. 3暈米。
6.如權(quán)利要求I所述的天線罩，其特征在于所述第一人造微結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)為I.32毫米。
7.如權(quán)利要求I所述的天線罩，其特征在于所述第二人造微結(jié)構(gòu)的兩條金屬分支長(zhǎng)度為2. 5毫米。
8.如權(quán)利要求2所述的天線罩，其特征在于所述基板材料為相對(duì)介電常數(shù)為3.5，損耗角正切為0. 06的FR4材料。
9.如權(quán)利要求3所述的天線罩，其特征在于所述第一至第三半固化片的相對(duì)介電常數(shù)為4. 1，損耗角正切為0.016。
10.如權(quán)利要求4所述的天線罩，其特征在于所述基本單元的長(zhǎng)寬尺寸為2.5毫米。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種寬頻大角度透波超材料天線罩，其虛擬劃分為多個(gè)基本單元，每一基本單元尺寸小于所述響應(yīng)電磁波波長(zhǎng)的五分之一；所述基本單元包括四層基板，相鄰基板之間設(shè)置有第一半固化片、第二半固化片以及第三半固化片；所述第一半固化片與相鄰基板接觸的相對(duì)兩側(cè)表面分別設(shè)置有第一人造微結(jié)構(gòu)與第二人造微結(jié)構(gòu)，第二半固化片與相鄰基板接觸的任一表面設(shè)置有第三人造微結(jié)構(gòu)，第三半固化片與相鄰基板接觸的相對(duì)兩側(cè)表面分別設(shè)置有第四人造微結(jié)構(gòu)和第五人造微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過(guò)采用超材料原理設(shè)計(jì)透波天線罩，使得天線罩在10-18GHZ頻段均有良好的透波性能，且當(dāng)天線與天線罩所成角度較大時(shí)，其透波性能依然良好。
文檔編號(hào)H01Q1/42GK102790270SQ20121022225
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者劉若鵬, 吳煜鋒, 張嶺, 方小偉, 趙治亞, 陳智偉 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司