專利名稱：寬頻透波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)明涉及天線罩，更具體地說，涉及寬頻透波材料及其天線罩和天線系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
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。造成這些現(xiàn)象的原因是天線罩壁的反射和不均勻部分的繞射會引起天線主波瓣電軸偏移，從而產(chǎn)生瞄準(zhǔn)誤差；天線罩對高頻能量的吸收和反射會引起傳輸損耗，從而影響天線増益(接收時使系統(tǒng)噪聲溫度増加)?！つ壳爸苽涮炀€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(qiáng)天線方向性和提高天線增益的功能，透波性能較差。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，無法實現(xiàn)資源的重復(fù)使用，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)以及設(shè)備成本的提聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在干，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述透波性能較差、工作頻段較窄的缺陷，提供一種寬頻透波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)造ー種寬頻透波材料，包括至少ー個由非金屬材料制成的第一基板以及附著在第一基板上且陣列排布的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括具有兩個對稱的開ロ的圓形結(jié)構(gòu)以及經(jīng)過所述圓形結(jié)構(gòu)中心的一字形結(jié)構(gòu)，所述兩個開ロ分別位于所述一字形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。在本發(fā)明所述的寬頻透波材料中，所述兩個開ロ相對于所述一字形結(jié)構(gòu)對稱分布。在本發(fā)明所述的寬頻透波材料中，所述一字形結(jié)構(gòu)和所述圓形結(jié)構(gòu)由金屬絲構(gòu)成。在本發(fā)明所述的寬頻透波材料中，所述一字形結(jié)構(gòu)和所述圓形結(jié)構(gòu)的金屬絲的寬
度相等。在本發(fā)明所述的寬頻透波材料中，所述圓形結(jié)構(gòu)的直徑為3 3. 9_。在本發(fā)明所述的寬頻透波材料中，所述兩個開ロ的長度相等，開ロ的長度為L 2 L 8mm。在本發(fā)明所述的寬頻透波材料中，所述寬頻透波材料還包括第二基板，所述人造微結(jié)構(gòu)夾設(shè)在第一基板和第二基板之間。在本發(fā)明所述的寬頻透波材料中，所述第一基板和第二基板的厚度為2mm，所述人造微結(jié)構(gòu)的厚度為O. 018mm。本發(fā)明還提供ー種天線罩，用于罩設(shè)在天線上，包括如上所述的寬頻透波材料。本發(fā)明還提供ー種天線系統(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)，使得天線罩的透波性能增強(qiáng)，抗干擾能力増加?？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，從而實現(xiàn)與空氣的阻抗匹配，以最大限度的増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。本發(fā)明的寬頻透波材料及其天線罩和天線系統(tǒng)可工作在較寬頻帶內(nèi)，透波效率很高，而且能夠屏蔽其他頻段，從而排除干擾，保證了天線的良好工作環(huán)境。天線加上天線罩后，天線的輻射能力得到了加強(qiáng)，有效提高了増益。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)ー步說明，附圖中圖I是依據(jù)本發(fā)明ー實施例的寬頻透波材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明ー實施例的人造微結(jié)構(gòu)的排布示意圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明ー實施例的單個人造微結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是依據(jù)本發(fā)明ー實施例的寬頻透波材料和純ABS材料的反射系數(shù)對比示意圖；圖5是依據(jù)本發(fā)明ー實施例的寬頻透波材料和純ABS材料的透射系數(shù)對比示意圖；圖6是依據(jù)本發(fā)明ー實施例的由寬頻透波材料制成的平板狀天線罩和固定環(huán)的立體圖；圖7是圖6的裝配圖；圖8是圖I的剖視圖；圖9是依據(jù)本發(fā)明另一實施例的透波材料的剖視圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種寬頻透波材料，包括至少ー個由非金屬材料制成的第一基板以及附著在第一基板上且陣列排布的多個人造微結(jié)構(gòu)。制造基板的材料有多種選擇，例如陶瓷、FR4、F4B(聚四氟こ烯)、HDPE(高密度聚こ烯，High Density Polyethylene)、ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene,丙烯腈-丁ニ烯-苯こ烯)、鐵電材料、或者鐵磁材料等。如圖I所示，本實施例中的寬頻透波材料包括兩層基板，即由非金屬材料制成的第一基板10和第二基板20，以及夾設(shè)于第一基板10與第二基板20之間且陣列排布的多個人造微結(jié)構(gòu)30。透波材料的剖視圖如圖8所示，第一基板10與第二基板20之間排布有多個人造微結(jié)構(gòu)，形成ー層人造微結(jié)構(gòu)層A。第一基板10和第二基板20優(yōu)先選取介電常數(shù)為2.2 4. 3，損耗角正切不超過0. 01的材料。人造微結(jié)構(gòu)30為導(dǎo)電材料制成的具有一定幾何圖案的平面結(jié)構(gòu)。這里的導(dǎo)電材料，可以是金、銀、銅等導(dǎo)電性能良好的金屬材料，或者主要成分為金、銀、銅中的一種或兩種的合金材料，也可以是碳納米管、摻鋁氧化鋅、銦錫氧化物等可以導(dǎo)電的非金屬材料。本發(fā)明中，優(yōu)選銅或銀。人造微結(jié)構(gòu)30的具體幾何形狀圖案見圖2和圖3，人造微結(jié)構(gòu)30包括具有兩個對稱的開ロ K的圓形結(jié)構(gòu)31以及經(jīng)過所述圓形結(jié)構(gòu)31中心的一字形結(jié)構(gòu)32，兩個開ロ K分別位于一字形結(jié)構(gòu)32的兩側(cè)。在本發(fā)明ー實施例中，如圖2-3所不,兩個開ロ K相對于ー字形結(jié)構(gòu)32對稱分布。圖示的人造微結(jié)構(gòu)的數(shù)目僅為示意，僅用于說明人造微結(jié)構(gòu)之間的排布情況，不作為對本發(fā)明的限制。一字形結(jié)構(gòu)32和圓形結(jié)構(gòu)31由金屬絲構(gòu)成，在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，一字形結(jié)構(gòu) 32和圓形結(jié)構(gòu)31的金屬絲的寬度w相等,w為0. I 0. 3mm。圓形結(jié)構(gòu)31的直徑a為3
3.9mm。兩個開ロ K的長度相等，開ロ K的長度b為I. 2 I. 8mm。開ロ K與一字形結(jié)構(gòu)32的間距為C。下面將結(jié)合具體實施例來說明本發(fā)明的寬頻透波材料的應(yīng)用效果。在一實施例中，相鄰的兩個人造微結(jié)構(gòu)30的中心之間的距離為4mm，圓形結(jié)構(gòu)31的直徑a = 3. 6mm,寬度w = 0. 2mm。一字形結(jié)構(gòu)32的經(jīng)過圓形結(jié)構(gòu)31的中心，且與圓形結(jié)構(gòu)31相接，長度為
3.2謹(jǐn)，寬度w = 0. 2謹(jǐn)。開ロ K的長度b = I. 5謹(jǐn)。開ロ K與一字形結(jié)構(gòu)32的間距C =1.476mm。金屬絲為金絲、銀絲或銅絲，或者為含有金、銀或銅的合金絲。第一基板10與第ニ基板20的厚度分別為2mm，人造微結(jié)構(gòu)30的厚度為0. 018mm。在本發(fā)明ー實施例中，第一基板10和第二基板20由介電常數(shù)為2. 8，損耗角正切為0. 01的ABS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(jié)構(gòu)30通過蝕刻的方式附著在第一基板10上，當(dāng)然人造微結(jié)構(gòu)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、HIPS (耐沖擊性聚苯こ烯，Highimpact polystyrene)材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料制成。對具有上述參數(shù)的寬頻透波材料進(jìn)行仿真，其S參數(shù)仿真圖如圖4-5所示，本發(fā)明的寬頻透波材料的反射系數(shù)和透射系數(shù)用Sll、S21表示，純ABS材料的反射系數(shù)和透射系數(shù)用S11_1、S21_1表示。由圖4可以看到，在12 20GHz頻帶內(nèi)，寬頻透波材料的反射系數(shù)Sll小于純ABS材料的反射系數(shù)Sll_l，而透射系數(shù)S21遠(yuǎn)大于純ABS材料的透射系數(shù)S21_l，寬頻透波材料在12 20GHz頻帶內(nèi)S21參數(shù)都大于-0. 4dB，透波性能優(yōu)于純ABS材料，具有高透波特性。在實際應(yīng)用時，通過調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，可以改變材料的相對介電常數(shù)、折射率和阻杭，從而兩個通帶向高頻或低頻移動，或者改變帶寬，滿足不同頻帶需求。寬頻透波材料也可以采用多層基板，比如包括3層基板，相鄰基板間均設(shè)有上述排布的人造微結(jié)構(gòu)。如圖9所示，包括三層基板10、20、30，以及兩層金屬微結(jié)構(gòu)層A、B，同樣能夠達(dá)到寬頻的效果。因此，本發(fā)明還提供ー種天線罩，該天線罩由上文所述的寬頻透波材料制成，用于罩設(shè)于在天線上，對天線起到保護(hù)作用的同吋，還能夠保證天線在工作頻段正常工作，屏蔽掉不相關(guān)頻段，排除干擾。需要說明的是，天線罩的形狀可以為與附圖中的寬頻透波材料形狀相同或者類似的平板狀(圓形板、方形板、其他不規(guī)則形狀的平板)，也可以根據(jù)實際需求來設(shè)計天線罩的形狀，比如設(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6示出了依據(jù)本發(fā)明一實施例的天線罩60結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，天線罩60包括了上文所述的透波材料制成的平板狀天線罩61 (這里示出的是圓形平板狀)，以及用于固定平板狀天線罩61的固定環(huán)62，二者通過超聲焊接技術(shù)焊接在一起。固定環(huán)62由熱塑性材料經(jīng)注塑成型、模壓成型或者機(jī)械加工等適當(dāng)?shù)募庸ぅㄋ嚩瞥?，只要能起到支撐所述超材料板材并可承受外界對天線罩60所施加的負(fù)重即可。一般，為了便于焊接，平板狀天線罩61和固定環(huán)62由同一種熱塑性材料制成。若不為此目的，平板狀天線罩61和固定環(huán)62分別可有任何熱塑性材料制成。固定環(huán)62的幾何形狀可依據(jù)實際情況而定，如圓 環(huán)形、十字形、骨架形等等。圖6示出了固定環(huán)62的一個實施例，是一與平板狀天線罩61的邊緣輪廓相配合的圓形邊框，由ABS制得，包括圓環(huán)部621和由圓環(huán)部621圍合而形成的敞ロ 622，圓環(huán)部621的截面大致呈L形。圓形邊框可利用ABS原料經(jīng)一次注塑或者模壓成型而制得；也可利用ABS原料經(jīng)注塑或者模壓成型先制得一類似有底的圓形淺碟狀的半成品，再通過機(jī)械加工的方法在所述半成品的底部切出所述敞ロ 622而制得。將平板狀天線罩61置于固定環(huán)62上并蓋住敞ロ 622，而其邊緣與固定環(huán)62的側(cè)邊相接觸，這時即可通過超聲焊接、激光焊接等方式將它們焊接成一體，從而形成用于保護(hù)天線的天線罩60，裝配在一起后的天線罩60見圖7所示。超聲焊接可用于由任何材料制成的平板狀天線罩61與固定環(huán)62之間的結(jié)合，如樹脂之間、樹脂與金屬之間以及其它材料之間。當(dāng)然，所述平板狀天線罩61與固定環(huán)62由同一材料(其熔點(diǎn)不宜大于350 121 )制成時比較容易結(jié)合，制成的天線罩60也較牢固。在平板狀天線罩61與固定環(huán)62的接觸處也可設(shè)置ー些配合結(jié)構(gòu)，以便形成水密和氣密性能較好的天線罩60。激光焊接主要用于由可吸收足夠的激光而熔化的材料制成的所述超材料板材和框架之間的結(jié)合，特別適用于結(jié)構(gòu)、軟化溫度和增強(qiáng)材料等方面完全不同的聚合物之間的結(jié)合，且可根據(jù)用于制造平板狀天線罩61與固定環(huán)62的材料，選擇不同的激光設(shè)備來焊接。例如，摻釹釔鋁石榴石合成晶體(Nd3+:YAG)和ニ極管激光器，其產(chǎn)生的激光波長分別約為1064nm、800-1000nm，適合于由含有特殊填料或顏料的樹脂制成的所述超材料板材和框架；而ニ氧化碳(CO2)激光器，其產(chǎn)生的激光波長約為10600nm，盡管容易被吸收，但其穿透性不好，適用于較薄的所述超材料板材和框架之間的結(jié)合。與超聲焊接相比，激光焊接可極大地減小天線罩60的振動應(yīng)カ和熱應(yīng)力，減緩其老化速度。圖6中所示的由ABS制成的平板狀天線罩61與固定環(huán)62通過超聲焊接的方法制成天線罩60，由于其焊接處的強(qiáng)度接近于平板狀天線罩61本身的強(qiáng)度，從而制得一體化的天線罩60。為了保持天線罩外觀的整體性和提高其美觀性，可在平板狀天線罩61的內(nèi)外表面涂覆保護(hù)層，所述保護(hù)層可由任何現(xiàn)有的使用干天線罩表面的保護(hù)涂料制成，應(yīng)具有良好的透波性能、耐季候性、附著力強(qiáng)的特點(diǎn)，如聚氨脂、氟樹脂、氟碳樹脂等，并對天線罩60的焊接處進(jìn)行修飾。本發(fā)明還提供ー種天線系統(tǒng)，包括天線，以及如上文所述的天線罩，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。天線本體可以是例如但不限于平板天線、微波天線、雷達(dá)天線等。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)，使得天線罩的透波性能增強(qiáng)，抗干擾能力増加?？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，從而實現(xiàn)與空氣的阻抗匹配，以最大限度的増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。本發(fā)明的寬頻透波材料及其天線罩和天線系統(tǒng)可工作在較寬頻帶內(nèi)，透波效率很高，而且能夠屏蔽其他頻段，從而排除干擾，保證了天線的良好工作環(huán)境。天線加上天線罩后，天線的輻射能力得到了加強(qiáng)，有效提高了増益。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g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
1.一種寬頻透波材料，其特征在于，包括至少ー個由非金屬材料制成的第一基板以及附著在第一基板上且陣列排布的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括具有兩個對稱的開ロ的圓形結(jié)構(gòu)以及經(jīng)過所述圓形結(jié)構(gòu)中心的一字形結(jié)構(gòu)，所述兩個開ロ分別位于所述一字形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻透波材料，其特征在于，所述兩個開ロ相對于所述一字形結(jié)構(gòu)對稱分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻透波材料，其特征在干，所述一字形結(jié)構(gòu)和所述圓形結(jié)構(gòu)由金屬絲構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬頻透波材料，其特征在于，所述一字形結(jié)構(gòu)和所述圓形結(jié)構(gòu)的金屬絲的寬度相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬頻透波材料，其特征在干，所述圓形結(jié)構(gòu)的直徑為3 j. 9mmο
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的寬頻透波材料，其特征在于，所述兩個開ロ的長度相等，開ロ的長度為I. 2 I. 8mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻透波材料，其特征在于，所述寬頻透波材料還包括第二基板，所述人造微結(jié)構(gòu)夾設(shè)在第一基板和第二基板之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的寬頻透波材料，其特征在干，所述第一基板和第二基板的厚度為2mm,所述人造微結(jié)構(gòu)的厚度為O. 018mm。
9.ー種天線罩，其特征在于，用于罩設(shè)在天線上，包括如權(quán)利要求I 8任一項所述的寬頻透波材料。
10.ー種天線系統(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)明涉及寬頻透波材料及其天線罩和天線系統(tǒng)，寬頻透波材料包括至少一個由非金屬材料制成的第一基板以及附著在第一基板上且陣列排布的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括具有兩個對稱的開口的圓形結(jié)構(gòu)以及經(jīng)過所述圓形結(jié)構(gòu)中心的一字形結(jié)構(gòu)，所述兩個開口分別位于所述一字形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。本發(fā)明的寬頻透波材料及其天線罩和天線系統(tǒng)可工作在較寬頻帶內(nèi)，透波效率很高，而且能夠屏蔽其他頻段，從而排除干擾，保證了天線的良好工作環(huán)境。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。
文檔編號H01Q1/42GK102842759SQ20121026877
公開日2012年12月26日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者劉若鵬, 趙治亞, 法布里齊亞·蓋佐, 易翔 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司