專利名稱：透波超材料及其天線罩和天線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料，更具體地說，涉及透波超材料及其天線罩和天線系統(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?；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(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(jì)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(jī)械強(qiáng)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(jì)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，較難達(dá)到高透波要求，即使在保證高透射率的條件下也不具備選擇性透波功能。

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的缺陷，提供透波超材料及其天線罩和天線系統(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)造一種透波超材料，包括第一基板和第二基板，第一基板和第二基板之間夾設(shè)有一層陣列排布的中心開孔的方形貼片，第一基板的外表面和第二基板的外表面陣列排布的圓形貼片。在本發(fā)明所述的透波超材料中，第一基板的外表面上陣列排布的圓形貼片與第二基板的外表面上陣列排布的圓形貼片的形狀和尺寸相同。在本發(fā)明所述的透波超材料中，所述透波超材料可劃分為多個超材料單元，每一超材料單元包括第一基板單元、第二基板單元，還包括依次排布在第一基板單元外表面、第一基板單元和第二基板單元之間、第二基板單元外表面的圓形貼片、中心開孔的方形貼片、圓形貼片。在本發(fā)明所述的透波超材料中，所述中心開孔的方形貼片緊貼所述超材料單元的邊界。在本發(fā)明所述的透波超材料中，所述圓形貼片與所述超材料單元的邊界之間間隔
預(yù)設(shè)距離。在本發(fā)明所述的透波超材料中，所述超材料單元的長和寬均為10mm。在本發(fā)明所述的透波超材料中，所述第一基板與第二基板由介電常數(shù)為2. 65、損耗角正切值為0. 002的材料制成。在本發(fā)明所述的透波超材料中，方形貼片的中心開孔為圓孔，直徑為3_ ;圓形貼片的直徑為8. 5mm。在本發(fā)明所述的透波超材料中，所述第一基板的厚度為0. 6mm，所述第二基板的厚 度為0. 6mm ;方形貼片和圓形金屬貼片的厚度均為0. 018mm。本發(fā)明還提供一種天線罩，用于罩設(shè)在天線上，包括如上所述的透波超材料。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天線罩，所述天線罩罩設(shè)于天線上。實(shí)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(qiáng)，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(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)天線罩設(shè)計(jì)時對材料厚度和介電常數(shù)的限制。本發(fā)明的透波超材料和天線罩透波效率高，損耗較小。天線加上天線罩后，天線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(shí)施例的透波超材料的各組成部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的超材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是方形貼片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圓形貼片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圓形貼片11在第一基板10外表面的排布示意圖；圖6是方形貼片22夾設(shè)在第一基板10和第二基板20之間的排布示意圖；圖7是圓形貼片33在第二基板20外表面的排布示意圖；圖8是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的透波超材料的S參數(shù)隨頻率變化的示意圖。
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，通過對微結(jié)構(gòu)的有序排列，可以改變空間中每點(diǎn)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(shí)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。基于人造微結(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(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。并可通過調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行頻率選擇，根據(jù)需要調(diào)整相應(yīng)透波和濾波頻率。
圖I是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的透波超材料的各組成部分的結(jié)構(gòu)示意圖。為了清楚地示出每一組成部分，圖I以爆炸圖的形式示意。如圖I所示，透波超材料I包括第一基板10和第二基板20,第一基板10和第二基板20之間夾設(shè)有一層陣列排布的中心開孔的方形貼片22,第一基板10的外表面和第二基板20的外表面陣列排布有圓形貼片11、33。在本發(fā)明一實(shí)施例中，第一基板10的外表面上陣列排布的圓形貼片11與第二基板的外表面上陣列排布的圓形貼片33的形狀和尺寸相同。 在本發(fā)明中，為了清楚地描述方形貼片和圓形貼片的排布方式，將透波超材料虛擬劃分為多個超材料單元100，如圖2所示，每一超材料單元100包括第一基板單元101、第二基板單元201，還包括依次排布在第一基板單元101外表面、第一基板單元101和第二基板單元201之間、第二基板單元201外表面的圓形貼片11、中心開孔的方形貼片22、圓形貼片33。這里的圓形貼片和方形貼片可稱之為人造微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明一實(shí)施例中，超材料單元的長和寬a為10mm，也即第一基板單元101和第二基板單元201的長和寬為a=10mm。圖中為了圖示方便，僅劃分了 9個超材料單元，見虛線劃分所示，這里的劃分僅為示意，不作 為對本發(fā)明的限制。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。在本發(fā)明一實(shí)施例中，中心開孔的方形貼片22為正方形貼片，如圖3所示，方形貼片22緊貼超材料單元100的邊界，即方形貼片22的邊長a與第一基板單元101和第二基板單元201的長和寬相等，與超材料單元的長和寬相等，可以為10mm。方形貼片22的中心開孔為圓孔，圓孔直徑R為3mm。在本發(fā)明一實(shí)施例中，圓形貼片11、33排布在第一基板單元101和第二基板單元201的中心，圓形貼片11、33的直徑為8. 5mm，與超材料單元100(或第一基板單元101和第二基板單元201)的邊界之間間隔預(yù)設(shè)距離b，即圓形貼片的直徑小于超材料單元的長和寬a。在本發(fā)明一實(shí)施例中，b=0. 75_。在本發(fā)明中，第一基板10的厚度為0. 6mm,第二基板20的厚度為0. 6mm。方形貼片22和圓形貼片11、33的厚度均為0. 018mm。方形貼片22和圓形貼片11、33均為金屬貼片，例如可以是銅、銀等金屬。圖5是圓形貼片11在第一基板10外表面的排布示意圖；圖6是方形貼片22夾設(shè)在第一基板10和第二基板20之間的排布示意圖；圖7是圓形貼片33在第二基板20外表面上的排布示意圖。在本發(fā)明一實(shí)施例中，基板選擇相對介電常數(shù)為2. 65，損耗角正切為0. 002的材料。第一基板10和第二基板20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(jié)構(gòu)(圓形貼片11、33，方形貼片22)通過蝕刻的方式附著在第一基板10和第二基板20上，當(dāng)然人造微結(jié)構(gòu)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。人造微結(jié)構(gòu)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(shí)際設(shè)計(jì)時也可以根據(jù)實(shí)際需求來設(shè)計(jì)天線罩的形狀，比如可以設(shè)計(jì)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。本發(fā)明的透波超材料的S參數(shù)隨頻率變化的示意圖如圖8所示，第一基板10和第二基板20選擇相對介電常數(shù)為2. 65，損耗角正切為0. 002的材料。由圖8可知，本發(fā)明的透波超材料在較寬的頻帶例如X波段的透波性能都很好，特別是10-11. 5GHz頻率范圍內(nèi)透波系數(shù)S21參數(shù)接近于OdB，而反射系數(shù)Sll小于_20dB，具有良好的透波效果。而在X波段以外頻率范圍內(nèi)的反射系數(shù)Sll幾乎接近于0，使得有用的頻段透過，實(shí)現(xiàn)選擇性透波，具有良好的頻率選擇特性。調(diào)節(jié)圓形貼片11、33，方形貼片22的具體尺寸，能夠改變透波的通帶頻率范圍，可依據(jù)實(shí)際需要來調(diào)整人造微結(jié)構(gòu)的尺寸。本發(fā)明還提供一種天線罩，用于罩設(shè)在天線上，包括如上所述的透波超材料。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天線罩，超材料天線罩罩設(shè)于天線上。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。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(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(qiáng)，抗干擾能力增加?？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(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)天線罩設(shè)計(jì)時對材料厚度和介電常數(shù)的限制。而且本發(fā)明的透波超材料和天線罩在X波段內(nèi)的透波效率很高，損耗較小，而且具有選擇性透波功能。上面結(jié)合附圖對本發(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
1.一種透波超材料，其特征在于，包括第一基板和第二基板，第一基板和第二基板之間夾設(shè)有一層陣列排布的中心開孔的方形貼片，第一基板的外表面和第二基板的外表面陣列排布的圓形貼片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的透波超材料，其特征在于，第一基板的外表面上陣列排布的圓形貼片與第二基板的外表面上陣列排布的圓形貼片的形狀和尺寸相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透波超材料，其特征在于，所述透波超材料可劃分為多個超材料單元，每一超材料單元包括第一基板單元、第二基板單元，還包括依次排布在第一基板單元外表面、第一基板單元和第二基板單元之間、第二基板單元外表面的圓形貼片、中心開孔的方形貼片、圓形貼片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透波超材料，其特征在于，所述中心開孔的方形貼片緊貼所述超材料單元的邊界。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的透波超材料，其特征在于，所述圓形貼片與所述超材料單元的邊界之間間隔預(yù)設(shè)距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的透波超材料，其特征在于，所述超材料單元的長和寬均為IOmm0
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的透波超材料，其特征在于，所述第一基板與第二基板由介電常數(shù)為2. 65、損耗角正切值為O. 002的材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的透波超材料，其特征在于，方形貼片的中心開孔為圓孔，直徑為3mm ;圓形貼片的直徑為8. 5mm。
9.一種天線罩，其特征在于，用于罩設(shè)在天線上，包括如權(quán)利要求廣8任一項(xiàng)所述的透波超材料。
10.一種天線系統(tǒng)，其特征在于，包括天線以及如權(quán)利要求9所述的天線罩，所述天線罩罩設(shè)于天線上。
全文摘要
本發(fā)明涉及透波超材料及其天線罩和天線系統(tǒng)。透波超材料包括第一基板和第二基板，第一基板和第二基板之間夾設(shè)有一層陣列排布的中心開孔的方形貼片，第一基板的外表面和第二基板的外表面陣列排布的圓形貼片。本發(fā)明的透波超材料及其天線罩和天線系統(tǒng)的透波效率很高，損耗較小，而且具有選擇性透波功能。
文檔編號H01Q1/42GK102760964SQ201210226218
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月3日
發(fā)明者付少麗, 劉若鵬, 方小偉, 趙治亞 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司