專利名稱：具有濾波功能的超材料天線罩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及天線罩，更具體地說(shuō)，涉及具有濾波功能的超材料天線罩。
技術(shù)背景 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(gè)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(gè)基板單元，每個(gè)基板單元上附著有人造微結(jié)構(gòu)，從而形成一個(gè)超材料單元，整個(gè)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(wú)數(shù)的晶格按照一定的排布構(gòu)成的。每個(gè)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(gè)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(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性；通過(guò)對(duì)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(gè)超材料的響應(yīng)特性。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，即使在保證高透射率的條件下也不具備選擇性透波功能。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述透波性能較差，不具備選擇性透波的缺陷，提供一種具有濾波功能的超材料天線罩。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種具有濾波功能的超材料天線罩，包括至少一個(gè)超材料片層，每一超材料片層包括第一基板和陣列排布在所述第一基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；每一人造微結(jié)構(gòu)包括口字形結(jié)構(gòu)和十字形結(jié)構(gòu)，所述口字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)拐角處分別開(kāi)設(shè)一缺口，且每一缺口處設(shè)置一開(kāi)口向外的U形結(jié)構(gòu)；所述十字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)端點(diǎn)與所述口字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)邊長(zhǎng)的中點(diǎn)重合。在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，每一超材料片層還包括覆蓋于所述多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)上的第二基板。在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，所述超材料片層中的第一基板可劃分為多個(gè)超材料單元，其中每一超材料單元上排布有一個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)。在本實(shí)用新型所述的寬頻帶超材料天線罩中，每一超材料單元的長(zhǎng)和寬均為19mm。在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，所述口字形結(jié)構(gòu)由四根尺寸相同的金屬絲構(gòu)成，相鄰的兩根金屬絲相互垂直，相對(duì)的兩根金屬絲相互平行。在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，每一金屬絲的寬度為O. 2mm，相對(duì)的兩根金屬絲之間的距離為15. 8mm。在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，任一 U形結(jié)構(gòu)繞所述口字形結(jié)構(gòu)的中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度后與順時(shí)針?lè)较虻南噜廢形結(jié)構(gòu)重合。在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，所述口字形結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相對(duì)拐角上的U形結(jié)構(gòu)關(guān)于所述口字形結(jié)構(gòu)的中心對(duì)稱。
在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，任一 U形結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)尺寸相同且相互平行的金屬邊以及連接所述兩個(gè)金屬邊的底邊，其中所述金屬邊和底邊的寬度均為O. 2mm，所述金屬邊的長(zhǎng)度為3mm,所述底邊的長(zhǎng)度為1mm。在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，所述十字形結(jié)構(gòu)的寬度為O. 2mm，長(zhǎng)度為15. 8mmο實(shí)施本實(shí)用新型的技術(shù)方案，具有以下有益效果通過(guò)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^(guò)調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，來(lái)改變材料的相對(duì)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(shí)對(duì)材料厚度和介電常數(shù)的限制。而且本實(shí)用新型的天線罩的工作頻帶在
6.82-17. 53GHz之間，帶寬超過(guò)10GHz，且在此頻帶內(nèi)的透波效率很高，在5GHz和22. 5GHz附近具有帶阻特性，可實(shí)現(xiàn)選擇性濾波。

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中圖I是依據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的具有濾波功能的超材料天線罩的一個(gè)超材料片層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是由多個(gè)圖I所示的超材料片層堆疊形成的超材料天線罩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是依據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的超材料片層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是人造微結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5是具有濾波功能的超材料天線罩的S參數(shù)示意圖。
具體實(shí)施方式
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(guò)對(duì)微結(jié)構(gòu)的有序排列，可以改變空間中每點(diǎn)的相對(duì)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(wú)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(guò)調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，來(lái)改變材料的相對(duì)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(guò)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。[0025]本實(shí)用新型提供了一種超材料天線罩，包括至少一個(gè)超材料片層1，如圖I和圖2所示。每個(gè)超材料片層I包括兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的基板和附著在兩基板之間的陣列排布的人造微結(jié)構(gòu)。當(dāng)超材料片層I有多個(gè)時(shí)，各個(gè)超材料片層I沿垂直于片層的方向疊加，并通過(guò)機(jī)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(gè)超材料片層就可以作為超材料天線罩來(lái)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(gè)超材料單元，其中每一超材料單元上排布有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)。 圖3示出了超材料片層的結(jié)構(gòu)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(duì)設(shè)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(jié)構(gòu)30。超材料片層I可劃分為多個(gè)超材料單兀，其中每一超材料單兀上排布有一個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)。在本實(shí)用新型一實(shí)施例中，每一超材料單元的長(zhǎng)和寬為b = 19_。這里以兩個(gè)基板為例進(jìn)行說(shuō)明，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，也可以僅采用第一基板，而人造微結(jié)構(gòu)陣列排布在第一基板10上，同樣能夠達(dá)到本實(shí)用新型的目的。如圖4所示，每一人造微結(jié)構(gòu)30包括口字形結(jié)構(gòu)m和十字形結(jié)構(gòu)p，口字形結(jié)構(gòu)m的四個(gè)拐角處分別開(kāi)設(shè)一缺口，且每一缺口處設(shè)置一開(kāi)口向外的U形結(jié)構(gòu)η。十字形結(jié)構(gòu)P的四個(gè)端點(diǎn)與口字形結(jié)構(gòu)m的四個(gè)邊長(zhǎng)的中點(diǎn)重合?？谧中谓Y(jié)構(gòu)由四根尺寸相同的金屬絲m構(gòu)成,相鄰的兩個(gè)金屬絲相互垂直,相對(duì)的兩個(gè)金屬絲相互平行。每一金屬絲的寬度為f=O. 2mm,相對(duì)的兩個(gè)金屬絲之間的距離為a = 15. 8mm。十字形結(jié)構(gòu)p由兩根相互垂直的金屬絲構(gòu)成，金屬絲的寬度均為O. 2mm,長(zhǎng)度為15.8mm。每一人造微結(jié)構(gòu)30所在的超材料單元的長(zhǎng)和寬為b = 19mm。U形結(jié)構(gòu)η與口字形結(jié)構(gòu)m的端點(diǎn)無(wú)縫連接。任一 U形結(jié)構(gòu)η繞口字形結(jié)構(gòu)的中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度后與順時(shí)針?lè)较虻南噜廢形結(jié)構(gòu)重合。口字形結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相對(duì)拐角上的U形結(jié)構(gòu)η關(guān)于口字形結(jié)構(gòu)的中心O對(duì)稱。任一U形結(jié)構(gòu)η包括兩個(gè)尺寸相同且相互平行的金屬邊以及連接兩個(gè)金屬邊的底邊，其中金屬邊和底邊的寬度均為O. 2mm，金屬邊的長(zhǎng)度為c = 3mm，底邊的長(zhǎng)度為w = 1mm。第一基板10和第二基板20的厚度均為2mm,人造微結(jié)構(gòu)的厚度為O. 018mm。此處的數(shù)值僅為示例，在實(shí)際應(yīng)用中，可以依據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整，本實(shí)用新型對(duì)此不作限制。在本實(shí)用新型一實(shí)施例中，第一基板10和第二基板20由F4B或FR4復(fù)合材料制得。第一基板10和第二基板20之間通過(guò)填充液態(tài)基板原料或者通過(guò)組裝相互連接在一起。人造微結(jié)構(gòu)30通過(guò)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、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(jié)構(gòu)30采用銅線制成，當(dāng)然也可以采用銀線、ΙΤ0、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(shí)也可以根據(jù)實(shí)際需求來(lái)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，本實(shí)用新型對(duì)此不作限制。本實(shí)施例的超材料天線罩的S參數(shù)隨頻率變化的示意圖如圖5所示，S21小于
O.IdB的頻段范圍為6. 82-17. 53GHz,頻帶超過(guò)IOGHz,具有良好的透波性能。在5GHz和22. 5GHz附近具有帶阻特性，可作為選擇性濾波功能使用。因此本實(shí)用新型提供的天線罩在滿足很好的透波性能外還具有濾波功能，這樣在很大程度上降低了天線本身的濾波性能需求，同時(shí)也就降低了天線所使用濾波器的成本。本實(shí)用新型通過(guò)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^(guò)調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，來(lái)改變材料的相對(duì)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(shí)對(duì)材料厚度和介電常數(shù)的限制。上面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本實(shí)用新型并不局限于上
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)人員在本實(shí)用新型的啟示下，在不脫離本實(shí)用新型宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種具有濾波功能的超材料天線罩，其特征在于，包括至少一個(gè)超材料片層，每一超材料片層包括第一基板和陣列排布在所述第一基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；每一人造微結(jié)構(gòu)包括口字形結(jié)構(gòu)和十字形結(jié)構(gòu)，所述口字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)拐角處分別開(kāi)設(shè)一缺口，且每一缺口處設(shè)置一開(kāi)口向外的U形結(jié)構(gòu)；所述十字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)端點(diǎn)與所述口字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)邊長(zhǎng)的中點(diǎn)重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料天線罩，其特征在于，每一超材料片層還包括覆蓋于所述多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)上的第二基板。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料天線罩，其特征在于，所述超材料片層中的第一基板可劃分為多個(gè)超材料單元，其中每一超材料單元上排布有一個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料天線罩，其特征在于，每一超材料單元的長(zhǎng)和寬均為19mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超材料天線罩，其特征在于，所述口字形結(jié)構(gòu)由四根尺寸相同的金屬絲構(gòu)成，相鄰的兩根金屬絲相互垂直，相對(duì)的兩根金屬絲相互平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超材料天線罩，其特征在于，每一金屬絲的寬度為O.2mm，相對(duì)的兩根金屬絲之間的距離為15. 8mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料天線罩，其特征在于，任一U形結(jié)構(gòu)繞所述口字形結(jié)構(gòu)的中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度后與順時(shí)針?lè)较虻南噜廢形結(jié)構(gòu)重合。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超材料天線罩，其特征在于，所述口字形結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相對(duì)拐角上的U形結(jié)構(gòu)關(guān)于所述口字形結(jié)構(gòu)的中心對(duì)稱。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超材料天線罩，其特征在于，任一U形結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)尺寸相同且相互平行的金屬邊以及連接所述兩個(gè)金屬邊的底邊，其中所述金屬邊和底邊的寬度均為O. 2mm,所述金屬邊的長(zhǎng)度為3mm,所述底邊的長(zhǎng)度為1mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料天線罩，其特征在于，所述十字形結(jié)構(gòu)的寬度為O. 2mm,長(zhǎng)度為 15. 8mm。
專利摘要本實(shí)用新型涉及具有濾波功能的超材料天線罩，包括至少一個(gè)超材料片層，每一超材料片層包括第一基板和陣列排布在所述第一基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；每一人造微結(jié)構(gòu)包括口字形結(jié)構(gòu)和十字形結(jié)構(gòu)，所述口字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)拐角處分別開(kāi)設(shè)一缺口，且每一缺口處設(shè)置一開(kāi)口向外的U形結(jié)構(gòu)；所述十字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)端點(diǎn)與所述口字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)邊長(zhǎng)的中點(diǎn)重合。本實(shí)用新型提供的天線罩在滿足很好的透波性能外還具有濾波功能，而且本實(shí)用新型的天線罩的工作頻帶在6.82-17.53GHz之間，帶寬超過(guò)10GHz，且在此頻帶內(nèi)的透波效率很高，在5GHz和22.5GHz附近具有帶阻特性，可實(shí)現(xiàn)選擇性濾波。
文檔編號(hào)H01Q15/12GK202487767SQ20122007269
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者劉若鵬, 方小偉, 楊樹(shù)坤, 王海蓮, 趙治亞 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司