專利名稱：高增益超材料天線罩和天線系統(tǒng)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，涉及高增益超材料天線罩和天線系統(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(gè)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(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(gè)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(shí)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。傳統(tǒng)高指向性天線分為蝶形天線和陣列天線兩大類。蝶形天線雖具有高的指向性增益，但本身面積大，架設(shè)困難。陣列天線隨所需天線指向性增益的增加，其陣列元也成倍增加，這樣體積就大大增加。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，在保護(hù)天線免受外部環(huán)境影響的條件下大多不具備增強(qiáng)天線方向性和增益的功能。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述天線罩不具備增強(qiáng)天線方向性和增益的缺陷，提供一種高增益超材料天線罩。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種高增益超材料天線罩，包括至少一個(gè)超材料片層，每一超材料片層包括基板和陣列排布在所述基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；所述人造微結(jié)構(gòu)是由金屬線沿著一雪花狀圖案的外邊緣圍成的封閉結(jié)構(gòu)，所述封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的雪花狀圖案所在區(qū)域鏤空。在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，所述基板可劃分為多個(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)用新型所述的超材料天線罩中，所述雪花狀圖案包括具有第一線寬的十字形結(jié)構(gòu)，以及分別設(shè)置在所述十字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)分支的末端并與該末端對應(yīng)的分支垂直的第一線段和第二線段，所述第二線段與所述第一線段平行且間隔預(yù)設(shè)距離。在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，所述第一線段和所述第二線段具有相同的
第二線寬。在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，所述第二線寬小于所述第一線寬。在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，每ー超材料単元的長和寬均為10_，所述金屬線的線寬為O. 1mm。在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，所述第一線寬為3. 5 4. 2mm，所述第二線寬為O. I O. 3臟。在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，所述第一線段的長度為7. 8 8. 5mm，所述第二線段的長度為5. 6 6. 3_。
·[0016]在本實(shí)用新型所述的超材料天線罩中，所述預(yù)設(shè)距離為O. 3mm。本實(shí)用新型還提供一種天線系統(tǒng)，包括天線本體，以及如上所述的超材料天線罩，所述超材料天線罩與天線本體平行設(shè)置并間隔一定距離。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)?？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)、折射率和阻杭，從而提高天線的方向性和増益；而在達(dá)到同等増益條件下，本實(shí)用新型的天線罩能夠大大減少天線的陣列數(shù)，減少天線整體體積。

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)ー步說明，附圖中圖I是依據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的高増益超材料天線罩的ー個(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)的立體示意圖；圖4是超材料片層上附著的人造微結(jié)構(gòu)排布示意圖；圖5是人造微結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6是雪花狀圖案的形狀示意圖；圖7人造微結(jié)構(gòu)的尺寸示意圖；圖8是天線系統(tǒng)中增加了高増益超材料天線罩后的Sll參數(shù)仿真結(jié)果示意圖；圖9是示出了本實(shí)用新型實(shí)施范例的天線系統(tǒng)遠(yuǎn)場輻射圖；圖10是增加超材料天線罩和未加超材料天線罩時(shí)天線系統(tǒng)在各頻點(diǎn)的增益對比圖。
具體實(shí)施方式
超材料是ー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，以最大限度的増加入射電磁波的透射，還可以提高天線的增益。本實(shí)用新型提供了ー種超材料天線罩，包括至少ー個(gè)超材料片層1，如圖I和圖2所示。每個(gè)超材料片層I包括基板10和附著在基板10上的陣列排布的人造微結(jié)構(gòu)20。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，并通過機(jī)械連接、焊接或粘合的方式組裝成一體，如圖2所示。這里以ー個(gè)基板為例進(jìn)行說明，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，也可以采用兩個(gè)基板，而人造微結(jié)構(gòu)陣列排布在其中ー個(gè)基板上，另ー基板覆蓋人造微結(jié)構(gòu)，將人造微結(jié)構(gòu)夾設(shè)在兩個(gè)基板之間，同樣能夠達(dá)到本實(shí)用新型的目的。本實(shí)用新型對超材料片層的具體數(shù)量不做限制，可依據(jù)不同的增益需求來調(diào)節(jié)超材料層數(shù)，從而控制天線增益。通常，在能夠滿足性能的情況下，ー個(gè)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(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。超材料片層I中的基板10可劃分為多個(gè)超材料単元。如圖3-4所示，每ー超材料単元上排布有ー個(gè)人造微結(jié)構(gòu)20。如圖5所示，每ー人造微結(jié)構(gòu)20是由金屬線沿著一雪花狀圖案的外邊緣圍成的封閉結(jié)構(gòu)，所述封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的雪花狀圖案所在區(qū)域鏤空。圖5中的金屬線圍成的結(jié)構(gòu)即為本實(shí)用新型的人造微結(jié)構(gòu)，該封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部的區(qū)域?yàn)殓U空的。為了能夠清楚地說明人造微結(jié)構(gòu)的具體形狀和尺寸，這里使用雪花狀圖案來間接描述該人造微結(jié)構(gòu)的具體形狀，雪花狀圖案的邊緣由本實(shí)用新型的人造微結(jié)構(gòu)包圍。在本實(shí)用新型一實(shí)施例中，姆ー超材料單元的長和寬為b = 10_。圖6示出了該雪花狀圖案的具體形狀。雪花狀圖案30包括具有第一線寬的十字形結(jié)構(gòu)31，以及分別設(shè)置在十字形結(jié)構(gòu)31的四個(gè)分支的末端并與該末端對應(yīng)的分支垂直的第一線段32和第二線段33，第二線段33與第一線段32平行且間隔預(yù)設(shè)距離。第一線段32在圖6中示出的為兩個(gè)分離的線段，我們這里定義該兩個(gè)分離的線段以及與十字形結(jié)構(gòu)31各分支的末端連接的部分(三部分構(gòu)成ー連續(xù)的線段)稱之為第一線段32;同樣，第二線段33在圖6中示出的為兩個(gè)分離的線段，我們這里也定義兩個(gè)分離的線段以及十字形結(jié)構(gòu)31各分支中與第一線段32間隔一定距離且能夠與該兩個(gè)分離的線段連接構(gòu)成一連續(xù)線段的部分(三部分構(gòu)成ー連續(xù)的線段)稱之為第二線段33。在本實(shí)用新型一實(shí)施例中，第一線段32和第二線段33具有相同的第二線寬。第二線寬小于所述第一線寬。在本實(shí)用新型一實(shí)施例中，第一線寬的取值范圍為3. 5 4. 2mm,第二線寬的取值范圍為O. I O. 3mm。第一線段32的長度的取值范圍為7. 8 8. 5mm，第ニ線段的長度的取值范圍為5. 6 6. 3mm。第二線段33與第一線段32間隔的預(yù)設(shè)距離例如但不限于O. 3mm。人造微結(jié)構(gòu)20是由金屬線圍繞在雪花狀結(jié)構(gòu)30的邊沿而構(gòu)成，人造微結(jié)構(gòu)的具體尺寸見圖7所示，圖6中的雪花狀圖案即為圖7或圖5示出的人造微結(jié)構(gòu)內(nèi)空白區(qū)域形成的鏤空圖案。圖中，金屬線的線寬為w = 0. 1mm。a的取值范圍為8 8. 7mm, d = e =
2.25mm,這就決定了雪花狀結(jié)構(gòu)的第一線段32的長度的取值范圍為7. 8 8. 5mm,十字形結(jié)構(gòu)31的第一線寬的取值范圍g = 3. 5 4. 2mm。c的取值范圍為O. I O. 3mm。f = I. 15mm,也就決定了第二線段33的長度的取值范圍為5. 6 6. 3mmο人造微結(jié)構(gòu)金屬線的相對邊距離h為例如9. 7mm，那么人造微結(jié)構(gòu)20的距離超材料單元的邊界的距離為O. 15mm。[0036]基板10的厚度均為1mm，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)用新型對此不作限制。在本實(shí)用新型一實(shí)施例中，基板10由F4B或FR4復(fù)合材料制得。人造微結(jié)構(gòu)20通過蝕刻的方式附著在基板10上，當(dāng)然人造微結(jié)構(gòu)20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10上?；?0也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、聚四氟こ烯、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料制成。人造微結(jié)構(gòu)20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)用新型對此不作限制。本實(shí)用新型還提供一種天線系統(tǒng)，包括天線本體，以及如上文所述的超材料天線罩，超材料天線罩與天線本體平行設(shè)置并間隔預(yù)設(shè)距離。該預(yù)設(shè)距離可依據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。天線本體包括輻射源、饋電單元等，具體構(gòu)成可參閱相關(guān)技術(shù)資料，本實(shí)用新型對此不作限制。天線本體可以是例如但不限于平板天線。天線本體與天線罩的間隔距離可以很小，比如IOmm,而天線罩本身的總厚度也僅有Imm左右，因此大大減小了天線的整體體積。這里的天線可以是例如但不限于WLAN天線。圖8示出了天線本體附近設(shè)置高増益超材料天線罩后的Sll參數(shù)仿真結(jié)果示意圖。從仿真結(jié)果可以看出，天線在5. 8GHz附近Sll很小，具有相當(dāng)?shù)偷幕夭〒p耗。圖9是示出了本實(shí)用新型實(shí)施范例的天線系統(tǒng)遠(yuǎn)場輻射圖。天線加上超材料天線罩后，波束和輻射能量能得到匯聚，有效提高増益。圖10示出了加上本實(shí)用新型實(shí)施例的超材料天線罩和未加超材料天線罩時(shí)天線系統(tǒng)在各頻點(diǎn)的増益對比圖，虛線表示未加天線罩時(shí)的増益，實(shí)線表示増加天線罩時(shí)的増益。從對比結(jié)果可以看出，在頻率5-6GHZ范圍內(nèi)，采用本實(shí)用新型實(shí)施例的超材料天線罩時(shí)，天線的增益都得到了提升。在頻率5. SGHz處，采用本實(shí)用新型實(shí)施范例的超材料天線罩能獲得9. 0808dB的増益，而未加天線罩時(shí)天線的增益為6. 7208dB，提高了 2. 36dB的增益特性。本實(shí)用新型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)?？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)、折射率和阻杭，從而提高天線的方向性和増益；而在達(dá)到同等増益條件下，本實(shí)用新型的天線罩能夠大大減少天線的陣列數(shù)，減少天線整體體積。本實(shí)用新型的超材料天線罩對天線增益的提高不局限于單ー頻點(diǎn)，對比結(jié)果顯示，在頻率5-6GHZ范圍內(nèi)，采用本實(shí)用新型實(shí)施例的超材料天線罩時(shí)，天線的增益都得到了提升。克服了現(xiàn)有技術(shù)中，為了提高增益而成倍増加天線陣列元帶來的成本和體積增加的問題。而且天線罩與天線面之間的間隔小，整體厚度很薄，并可通過調(diào)節(jié)超材料層數(shù)控制天線增益，這就提高了用戶體驗(yàn)，滿足了不同客戶對天線增益的不太需求。上面結(jié)合附圖對本實(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，這些均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種高增益超材料天線罩，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基板和陣列排布在所述基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；所述人造微結(jié)構(gòu)是由金屬線沿著一雪花狀圖案的外邊緣圍成的封閉結(jié)構(gòu)，所述封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的雪花狀圖案所在區(qū)域鏤空。
2.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)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料天線罩，其特征在于，所述雪花狀圖案包括具有第一線寬的十字形結(jié)構(gòu)，以及分別設(shè)置在所述十字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)分支的末端并與該末端對應(yīng)的分支垂直的第一線段和第二線段，所述第二線段與所述第一線段平行且間隔預(yù)設(shè)距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超材料天線罩，其特征在于，所述第一線段和所述第二線段具有相同的第二線寬。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超材料天線罩，其特征在于，所述第二線寬小于所述第一線寬。
6.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和寬均為IOmm,所述金屬線的線寬為O. 1mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超材料天線罩，其特征在于，所述第一線寬為3.5 4. 2mm,所述第二線寬為O. I O. 3mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超材料天線罩，其特征在于，所述第一線段的長度為7.8 8.5mm,所述第二線段的長度為5. 6 6. 3_。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超材料天線罩，其特征在于，所述預(yù)設(shè)距離為O.3mm。
10.一種天線系統(tǒng)，其特征在于，包括天線本體，以及如權(quán)利要求I 9任一項(xiàng)所述的超材料天線罩，所述超材料天線罩與天線本體平行設(shè)置并間隔預(yù)設(shè)距離。
專利摘要本實(shí)用新型涉及高增益超材料天線罩和天線系統(tǒng)，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基板和陣列排布在基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；人造微結(jié)構(gòu)是由金屬線沿著一雪花狀圖案的外邊緣圍成的封閉結(jié)構(gòu)，封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的雪花狀圖案所在區(qū)域鏤空。本實(shí)用新型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)。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，從而提高天線的方向性和增益；而在達(dá)到同等增益條件下，能夠大大減少天線的陣列數(shù)，減少天線整體體積。而且天線罩與天線之間的間隔小，整體厚度很薄，調(diào)節(jié)超材料層數(shù)可控制天線增益，提高了用戶體驗(yàn)，滿足了不同客戶對天線增益的不同需求。
文檔編號H01Q1/42GK202487768SQ20122007269
公開日2012年10月10日 申請日期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, 王凡, 趙治亞 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司