專利名稱：寬頻高透波超材料天線罩及天線系統(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(shuō)，涉及寬頻高透波超材料天線罩及天線系統(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。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。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。

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且工作頻段較窄的缺陷，提供一種寬頻高透波超材料天線罩及天線系統(tǒng)。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)造一種寬頻高透波超材料天線罩，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)尺寸相同的人造微結(jié)構(gòu)；所述人造微結(jié)構(gòu)是由金屬線圍成的具有十字形鏤空?qǐng)D案的封閉結(jié)構(gòu)；所述十字形鏤空?qǐng)D案的四個(gè)端部處的金屬線向兩側(cè)延伸形成延伸臂。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)用新型所述的寬頻帶超材料天線罩中，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2mm。[0011]在本實(shí)用新型所述的寬頻帶超材料天線罩中，所述人造微結(jié)構(gòu)與所述超材料單元的邊界之間的距離為O. 1mm。在本實(shí)用新型所述的寬頻帶超材料天線罩中，所述十字形鏤空?qǐng)D案由兩條垂直平分的鏤空帶構(gòu)成。在本實(shí)用新型所述的寬頻帶超材料天線罩中，每一鏤空帶的長(zhǎng)度為1.6mm，寬度為
O.5 O. 9mm。在本實(shí)用新型所述的寬頻帶超材料天線罩中，所述延伸臂的長(zhǎng)度為O. 9 I. 4mm。在本實(shí)用新型所述的寬頻帶超材料天線罩中，所述金屬線的線寬為O. 1_。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寬頻高透波超材 料天線罩，所述寬頻高透波超材料天線罩與天線本體間隔預(yù)設(shè)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(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較寬，且透波效率很高，損耗較小，適合用做高頻、寬帶、高透波天線罩。

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)施例的寬頻高透波超材料天線罩的一個(gè)超材料片層的結(jié)構(gòu)不意圖；圖2是由多個(gè)圖I所示的超材料片層堆疊形成的寬頻高透波超材料天線罩的結(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)的排布示意圖；圖5是人造微結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6 7是超材料天線罩的S參數(shù)示意圖。圖8是寬頻高透波超材料天線罩與傳統(tǒng)天線罩的S21參數(shù)對(duì)比圖。
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。本實(shí)用新型提供了一種寬頻高透波超材料天線罩，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力口，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)用新型一實(shí)施例中，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。圖中所示的超材料單元的數(shù)量?jī)H為示意，為了說(shuō)明人造微結(jié)構(gòu)的排布方式，對(duì)超材料單元的數(shù)量并不做限制，可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)確定天線罩的尺寸，從而確定超材料單元的數(shù)量。 如圖4-5所示，每一超材料單元的長(zhǎng)和寬均為a = 2mm,人造微結(jié)構(gòu)30與超材料單元的邊界之間的距離為w2 = O. 1mm。每一人造微結(jié)構(gòu)30是由金屬線圍成的具有十字形鏤空?qǐng)D案的封閉結(jié)構(gòu)；十字形鏤空?qǐng)D案的四個(gè)端部處的金屬線向兩側(cè)延伸形成延伸臂31。十字形鏤空?qǐng)D案由兩條垂直平分的鏤空帶構(gòu)成，每一鏤空帶的長(zhǎng)度為d = I. 6mm,寬度為c =O. 5 O. 9mm。延伸臂31的長(zhǎng)度為b = O. 9 I. 4mm,金屬線的線寬為wl = O. 1mm。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)施例的寬頻高透波超材料天線罩的S參數(shù)隨頻率變化的示意圖如圖6 7所示，所用第一基板10和第二基板20為F4B復(fù)合材料。圖6中的55. 618 70GHz范圍的放大圖見(jiàn)圖7。由圖6 7可以看到，本實(shí)用新型的S21參數(shù)在57-69GHZ范圍內(nèi)基本上都大于-O. 12dB，其帶寬達(dá)到12GHz，呈現(xiàn)出高頻、寬帶、高透波的特性。在頻率為57GHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的S21參數(shù)為-O. 092936dB，在頻率為69GHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的S21參數(shù)為-O. 092421。采用本實(shí)用新型的天線罩具有良好的透波性能，損耗較小，可用做例如但不限于60GHz毫米波無(wú)線通信天線的保護(hù)罩。為了更好的說(shuō)明本實(shí)用新型的天線罩在天線上的應(yīng)用性能，將本實(shí)用新型的天線罩與傳統(tǒng)純介質(zhì)板(F4B)天線罩進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。得到的測(cè)試結(jié)果是，如圖8所示，本實(shí)用新型的超材料天線罩(實(shí)線所示)的S21參數(shù)在57-68GHZ范圍內(nèi)均大于傳統(tǒng)天線罩(虛線所示)參數(shù)，也就是說(shuō)本實(shí)用新型的透波性能優(yōu)于傳統(tǒng)純介質(zhì)板天線罩的透波性能。[0033]本實(shí)用新型還提供一種天線系統(tǒng)，包括天線本體，以及如上文所述的寬頻高透波超材料天線罩，寬頻高透波超材料天線罩與天線本體間隔預(yù)設(shè)距離。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(duì)此不作限制。天線本體可以是例如但不限于平板天線。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。而且本實(shí)用新型的天線罩的工作頻帶較寬，且透波效率很高，損耗較小，適合用做高頻、寬帶、高透波天線罩。 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1.一種寬頻高透波超材料天線罩，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)尺寸相同的人造微結(jié)構(gòu)；所述人造微結(jié)構(gòu)是由金屬線圍成的具有十字形鏤空?qǐng)D案的封閉結(jié)構(gòu)；所述十字形鏤空?qǐng)D案的四個(gè)端部處的金屬線向兩側(cè)延伸形成延伸臂。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻高透波超材料天線罩，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所述的寬頻高透波超材料天線罩，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3所述的寬頻高透波超材料天線罩，其特征在于，每一超材料單元的長(zhǎng)和寬均為2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬頻高透波超材料天線罩，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)與所述超材料單元的邊界之間的距離為O. 1_。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的寬頻高透波超材料天線罩，其特征在于，所述十字形鏤空?qǐng)D案由兩條垂直平分的鏤空帶構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的寬頻高透波超材料天線罩，其特征在于，每一鏤空帶的長(zhǎng)度為I. 6mm,寬度為O. 5 O. 9mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求Γ7任一項(xiàng)所述的寬頻高透波超材料天線罩，其特征在于，所述延伸臂的長(zhǎng)度為O. 9 I. 4mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求f7任一項(xiàng)所述的寬頻高透波超材料天線罩，其特征在于，所述金屬線的線寬為O. 1mm。
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Γ9任一項(xiàng)所述的寬頻高透波超材料天線罩，所述寬頻高透波超材料天線罩與天線本體間隔預(yù)設(shè)距離。
專利摘要本實(shí)用新型涉及寬頻高透波超材料天線罩及天線系統(tǒng)。寬頻高透波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)尺寸相同的人造微結(jié)構(gòu)；所述人造微結(jié)構(gòu)是由金屬線圍成的具有十字形鏤空?qǐng)D案的封閉結(jié)構(gòu)；所述十字形鏤空?qǐng)D案的四個(gè)端部處的金屬線向兩側(cè)延伸形成延伸臂。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。而且本實(shí)用新型的天線罩的工作頻帶較寬，且透波效率很高，損耗較小，適合用做高頻、寬帶、高透波天線罩。
文檔編號(hào)H01Q1/42GK202662803SQ20122007511
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者劉若鵬, 趙治亞, 方小偉, 王凡 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司