本發(fā)明涉及天線罩技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超材料天線罩及天線系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
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。造成上述現(xiàn)象的主要原因是：(1)天線罩壁的反射和不均勻部分的繞射會(huì)引起天線主波瓣電軸偏移，從而產(chǎn)生瞄準(zhǔn)誤差；(2)天線罩對(duì)高頻能量的吸收和反射會(huì)引起傳輸損耗，從而影響天線增益。對(duì)于這些問(wèn)題，傳統(tǒng)天線罩材料工藝中的解決方案，一般著重于采取填充、共混微波陶瓷介質(zhì)和復(fù)合纖維等手段，在保證材料有良好承受機(jī)械力和其它性能的同時(shí)，調(diào)節(jié)材料的介電常數(shù)和耗散因數(shù)。但這種工藝產(chǎn)出的材料，在某些頻段內(nèi)的能量反射依舊不小，并且能量透射方面仍有需要提升的空間。如圖1所示，圖1為現(xiàn)有的采用ABS(AcrylonitrileButadieneStyrene)材料的天線罩的S參數(shù)仿真效果示意圖，從圖1中，可知采用ABS材料的天線罩的透射系數(shù)S11與反射系數(shù)S21均具有提升空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種利用超材料理論設(shè)計(jì)的、在天線工作頻段內(nèi)能有效增強(qiáng)透波功率、減小反射功率的超材料天線罩。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是，提出一種超材料天線罩，其包括具有相對(duì)兩側(cè)表面的基板以及周期排布于所述相對(duì)兩側(cè)表面的多個(gè)人造金屬微結(jié)構(gòu)，所述基板被虛擬劃分多個(gè)超材料單元，所述超材料單元相對(duì)兩側(cè)表面各附著有一個(gè)人造金屬微結(jié)構(gòu)；所述人造金屬微結(jié)構(gòu)包括具有開口的開口金屬環(huán)分支，設(shè)置于所述開口金屬環(huán)分支內(nèi)部且共端點(diǎn)的三條直線金屬分支，所述三條直線金屬分支彼此所成角度為120°。進(jìn)一步地，所述三條直線金屬分支共同的端點(diǎn)與所述開口金屬環(huán)分支的圓心重合。進(jìn)一步地，所述超材料單元長(zhǎng)、寬相等，所述三條直線金屬分支的線寬為0.1毫米。進(jìn)一步地，所述超材料單元長(zhǎng)、寬為2.2至2.5毫米；所述基板厚度為3至6毫米；所述金屬開口環(huán)分支的內(nèi)環(huán)半徑為0.8至1.0毫米，外環(huán)半徑為0.9至1.1毫米；所述直線金屬分支的長(zhǎng)度為0.7至0.8毫米。進(jìn)一步地，所述基板由ABS材料制成。進(jìn)一步地，所述ABS材料在8-18GHZ下，其介電常數(shù)為2.5至3.0，損耗角正切為0.01-0.05。進(jìn)一步地，所述超材料單元長(zhǎng)、寬為2.2毫米；所述金屬開口環(huán)分支的內(nèi)環(huán)半徑為0.9毫米，外環(huán)半徑為1.0毫米；所述直線金屬分支的長(zhǎng)度為0.8毫米。進(jìn)一步地，所述人造金屬微結(jié)構(gòu)表面覆蓋有0.01至0.05毫米厚度的防水涂層。進(jìn)一步地，所述超材料天線罩還包括固定環(huán)，所述基板呈圓柱形，所述固定環(huán)包括圓環(huán)底板以及圓環(huán)邊框，所述圓環(huán)底板以及圓環(huán)邊框?qū)⑺龌骞潭ā１景l(fā)明還提供一種超材料天線系統(tǒng)，其包括上述的超材料天線罩以及天線本體，所述天線本體與所述超材料天線罩間隔預(yù)設(shè)距離設(shè)置。本發(fā)明利用超材料原理制備天線罩，在基板上周期排布人造金屬微結(jié)構(gòu)以提高天線罩的電磁性能，本發(fā)明超材料天線罩的反射系數(shù)S21較純ABS材料天線罩的反射系數(shù)要少0.9至1.1dB，透射系數(shù)S11高5至40dB，尤其在12.8至13.6GHZ下，本發(fā)明超材料天線罩的透射系數(shù)S11較純ABS材料天線罩的透射系數(shù)要高20至40dB，極大地提高了天線罩的電磁性能，還能不損害天線罩的機(jī)械性能。附圖說(shuō)明圖1為現(xiàn)有的采用ABS材料制成的天線罩的S參數(shù)仿真效果示意圖；圖2為一實(shí)施例中構(gòu)成超材料的基本單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中超材料天線罩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3中超材料天線罩中一超材料單元的主視圖；圖5為一實(shí)施例中本發(fā)明超材料天線罩與純ABS材料天線罩的反射系數(shù)S21仿真結(jié)果示意圖；圖6為一實(shí)施例中本發(fā)明超材料天線罩與純ABS材料天線罩的透射系數(shù)S11仿真結(jié)果示意圖；圖7為一實(shí)施例中本發(fā)明超材料天線罩一體成型時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式光，作為電磁波的一種，其在穿過(guò)玻璃的時(shí)候，因?yàn)楣饩€的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數(shù)，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細(xì)節(jié)參數(shù)來(lái)描述玻璃對(duì)光線的響應(yīng)。相應(yīng)的，在研究材料對(duì)其他電磁波響應(yīng)的時(shí)候，材料中任何尺度遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的響應(yīng)也可以用材料的整體參數(shù)，例如介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ來(lái)描述。通過(guò)設(shè)計(jì)材料每點(diǎn)的結(jié)構(gòu)使得材料各點(diǎn)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都相同或者不同從而使得材料整體的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率呈一定規(guī)律排布，規(guī)律排布的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)即可使得材料對(duì)電磁波具有宏觀上的響應(yīng)，例如匯聚電磁波、發(fā)散電磁波、透射電磁波、吸收電磁波等。該類具有規(guī)律排布的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的材料我們稱之為超材料。如圖2所示，圖2為一實(shí)施例中構(gòu)成超材料的基本單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖。超材料的基本單元包括人造微結(jié)構(gòu)2以及該人造微結(jié)構(gòu)附著的第一基板1。本實(shí)施例中，人造微結(jié)構(gòu)為人造金屬微結(jié)構(gòu)，人造金屬微結(jié)構(gòu)具有能對(duì)入射電磁波電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)的平面或立體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改變每個(gè)超材料基本單元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)的圖案和/或尺寸即可改變每個(gè)超材料基本單元對(duì)入射電磁波的響應(yīng)。本實(shí)施例中，人造微結(jié)構(gòu)2上還覆蓋有第二基板3，第二基板3、人造微結(jié)構(gòu)2以及第一基板1構(gòu)成超材料的基本單元。多個(gè)超材料基本單元按一定規(guī)律排列即可使得超材料對(duì)電磁波具有宏觀的響應(yīng)。由于超材料整體需對(duì)入射電磁波有宏觀電磁響應(yīng)因此各個(gè)超材料基本單元對(duì)入射電磁波的響應(yīng)需形成連續(xù)響應(yīng)，這要求每一超材料基本單元的尺寸小于入射電磁波波長(zhǎng)的五分之一，優(yōu)選為入射電磁波波長(zhǎng)的十分之一。本段描述中，超材料整體被虛擬的劃分為多個(gè)超材料基本單元，但應(yīng)知此種劃分方法僅為描述方便，不應(yīng)看成超材料由多個(gè)超材料基本單元拼接或組裝而成，實(shí)際應(yīng)用中超材料是將人造金屬微結(jié)構(gòu)周期排布于基板上即可構(gòu)成，工藝簡(jiǎn)單且成本低廉。周期排布即指上述我們?nèi)藶閯澐值母鱾€(gè)超材料基本單元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)能對(duì)入射電磁波產(chǎn)生連續(xù)的電磁響應(yīng)。本發(fā)明利用上述超材料原理設(shè)計(jì)超材料天線罩，其通過(guò)設(shè)計(jì)人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱D案和/或人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D案的尺寸、設(shè)計(jì)基板材料以及基板厚度等參數(shù)獲得透射性能優(yōu)良、反射系數(shù)較小的超材料天線罩。如圖3所示，圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中超材料天線罩的結(jié)構(gòu)示意圖。超材料天線罩包括基板10，基板被虛擬劃分為多個(gè)超材料單元100，一個(gè)超材料單元100的兩相對(duì)表面上各設(shè)置有一個(gè)人造金屬微結(jié)構(gòu)20，因此所述基板包括兩相對(duì)表面，在所述兩相對(duì)表面上分別周期排布有多個(gè)人造金屬微結(jié)構(gòu)20。圖2中僅示出了其中一表面上周期排布的多個(gè)人造金屬微結(jié)構(gòu)20。基板10具有厚度h。圖2中，超材料天線罩為長(zhǎng)方體形，但是可以想象地，可通過(guò)在該長(zhǎng)方體形上隨意截取任意形狀以符合實(shí)際需求。如圖4所示，圖4為圖3中超材料天線罩中一超材料單元的主視圖。超材料單元100具有長(zhǎng)度cellx以及寬度celly。人造金屬微結(jié)構(gòu)20包括具有開口201的金屬開口環(huán)分支202，金屬開口環(huán)分支202的內(nèi)環(huán)半徑為r，外環(huán)半徑為R；設(shè)置于金屬開口環(huán)分支202內(nèi)部的三條直線金屬分支203，三條直線金屬分支203具有共同的端點(diǎn)2031且三條直線金屬分支彼此所成角度均為120°。優(yōu)選地，三條金屬分支共同端點(diǎn)2031即為金屬開口環(huán)分支202的圓心。直線金屬分支203具有長(zhǎng)度ax以及線寬w。設(shè)計(jì)時(shí)，超材料天線罩則具有7個(gè)可調(diào)節(jié)和設(shè)計(jì)的幾何參數(shù){R，r，ax，cellx，celly，h，w}。在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)大規(guī)模計(jì)算，對(duì)該7個(gè)幾何參數(shù)分別取不同值并仿真不同幾何參數(shù)下天線罩的性能，最終選取各幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)選值。在一優(yōu)選方案中，為減少計(jì)算量，提高計(jì)算速率，單一超材料單元100的長(zhǎng)度cellx和寬度celly取相同值，且線寬w取值0.1毫米。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，在一實(shí)施例中，當(dāng)單一超材料單元100的長(zhǎng)度cellx和寬度celly均取值2.2毫米至2.5毫米，金屬開口環(huán)分支202的內(nèi)環(huán)半徑r取值0.8至1.0毫米，對(duì)應(yīng)的外環(huán)半徑R取值0.9至1.1毫米，直線金屬分支203長(zhǎng)度取值0.7至0.8毫米，基板厚度h取值3至6毫米時(shí)具有較佳的性能。另外本發(fā)明中，基板10的材料仍優(yōu)選為ABS材料，優(yōu)選為在8-18GHZ下，介電常數(shù)為2.5至3.0，損耗角正切為0.01-0.05的ABS材料。使用ABS材料時(shí)，其材料易獲得、強(qiáng)度高、硬度大、韌性好、抗壓力性和沖擊性能好、容易加工，同時(shí)抗酸、堿、鹽的腐蝕能力強(qiáng)且還具有一定的耐受有機(jī)溶劑溶解的特性，比較符合超材料天線罩的使用環(huán)境。在使用ABS材料作為基板，且超材料單元100的長(zhǎng)度cellx和寬度celly均取值2.2毫米，金屬開口環(huán)分支202的內(nèi)環(huán)半徑r取值0.9毫米，對(duì)應(yīng)的外環(huán)半徑R取值1.0毫米，直線金屬分支203長(zhǎng)度取值0.8毫米，基板厚度h取值4毫米時(shí)仿真該超材料天線罩的性能，并與現(xiàn)有的單純采用ABS材料的天線罩的性能進(jìn)行比對(duì)。超材料天線罩與ABS天線罩的反射系數(shù)S21和透射系數(shù)S11的仿真效果對(duì)比圖分別如圖5和圖6所示。從圖5和圖6中可知，在12至14GHZ頻率下，本發(fā)明超材料天線罩的反射系數(shù)S21較純ABS材料天線罩的反射系數(shù)要少0.9至1.1dB，透射系數(shù)S11高5至40dB，尤其在12.8至13.6GHZ下，本發(fā)明超材料天線罩的透射系數(shù)S11較純ABS材料天線罩的透射系數(shù)要高20至40dB，極大地提高了天線罩的電磁性能，還能不損害天線罩的機(jī)械性能。另外，為了保護(hù)暴露在基板外面的人造金屬微結(jié)構(gòu)不被環(huán)境腐蝕，保證超材料天線罩的耐候性，本發(fā)明超材料天線罩還在兩面人造金屬微結(jié)構(gòu)表面均覆蓋有0.01至0.05毫米厚度的防水涂層。該涂層防水性能好，對(duì)電磁的損耗低。該涂層的材料可選擇聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、特氟龍、有機(jī)硅等熱塑性樹脂及其改性品種，也可選用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯、酚醛等熱固性樹脂及其改性品種，還可選用乙烯-醋酸乙烯共聚物。如圖7所示，圖7為本發(fā)明超材料天線罩一實(shí)施例中一體化成型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7中，超材料天線罩中的基板1000為圓柱形，其厚度為2-5毫米，直徑為340-350毫米。基板1000固定于固定環(huán)2000上，固定環(huán)包括圓環(huán)狀的底板2001以及直徑與所述基板相適應(yīng)的圓環(huán)邊框2002。當(dāng)基板固定于固定環(huán)上時(shí)，基板的圓周邊被邊框2002與底板2001固定，本實(shí)施例中，可通過(guò)超聲焊接、激光焊接等方式將它們焊接成一體，此時(shí)，超材料天線罩的圓面上的人造金屬微結(jié)構(gòu)被防水涂層保護(hù)，圓周被固定環(huán)2000保護(hù)，從而使得超材料天線罩整體的水密性能和氣密性能加強(qiáng)。本發(fā)明還提供一種天線系統(tǒng)，包括天線本體以及上述超材料天線罩，所述超材料天線罩與天線本體間隔預(yù)設(shè)距離。優(yōu)選地，所述超材料天線罩與所述天線本體之間距離為天線本體響應(yīng)電磁波波長(zhǎng)的四分之一。以上所述僅是本發(fā)明的若干具體實(shí)施方式和/或?qū)嵤├?，不?yīng)當(dāng)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明基本思想的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，而這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。