專利名稱：高透波超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，涉及高透波超材料及其天線罩和天線系統(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基板單元，每個基板單元上附著有人造微結(jié)構(gòu)，從而形成一個超材料單元，整個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)計不同的具體結(jié)構(gòu)和形狀，可以改變整個超材料的響應(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。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、機械強度高的材料，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，較難達到高透波要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述透波性能較差的缺陷，提供一種高透波超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)造一種高透波超材料，包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括第一基板、第二基板和夾設(shè)在第一基板和第二基板之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結(jié)構(gòu)；所述人造微結(jié)構(gòu)包括口字形結(jié)構(gòu)、以及設(shè)置在口字形結(jié)構(gòu)內(nèi)部且分別與口字形結(jié)構(gòu)的四個端角圍合成正方形結(jié)構(gòu)的四個直角彎折部，直角彎折部之間無交叉重疊；所述口字形結(jié)構(gòu)的四個端角處分別開設(shè)有缺口本發(fā)明還提供一種高透波超材料天線罩，所述高透波超材料天線罩罩設(shè)于天線上，包括如上所述的高透波超材料，所述高透波超材料包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括第一基板、第二基板和夾設(shè)在第一基板和第二基板之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結(jié)構(gòu)；所述人造微結(jié)構(gòu)包括口字形結(jié)構(gòu)、以及設(shè)置在口字形結(jié)構(gòu)內(nèi)部且分別與口字形結(jié)構(gòu)的四個端角圍合成正方形結(jié)構(gòu)的四個直角彎折部，直角彎折部之間無交叉重疊；所述口字形結(jié)構(gòu)的四個端角處分別開設(shè)有缺口。在本發(fā)明所述的高透波超材料天線罩中，所述超材料片層中的第一基板可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元上排布有一個所述人造微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明所述的高透波超材料天線罩中，每一超材料單元的長和寬均為21mm。在本發(fā)明所述的高透波超材料天線罩中，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0. 1mm。

在本發(fā)明所述的高透波超材料天線罩中，所述口字形結(jié)構(gòu)的四個端角處開設(shè)的缺口尺寸相同；四個直角彎折部與口字形結(jié)構(gòu)的四個端角圍合而成的四個正方形結(jié)構(gòu)尺寸相
坐 寸o在本發(fā)明所述的高透波超材料天線罩中，所述口字形結(jié)構(gòu)和直角彎折部由金屬線構(gòu)成，金屬線的線寬均為0. 1mm。在本發(fā)明所述的高透波超材料天線罩中，所述口字形結(jié)構(gòu)的邊長相等，邊長為20. 8mmn在本發(fā)明所述的高透波超材料天線罩中，所述口字形結(jié)構(gòu)每一邊的金屬線的長度為17 19mm ;每一正方形結(jié)構(gòu)的兩相對邊之間的距離為3. 5^3. 9mm。本發(fā)明還提供一種天線系統(tǒng)，包括天線以及如上所述的高透波超材料天線罩，所述高透波超材料天線罩罩設(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)，使得基于超材料的天線罩的透波性能增強，抗干擾能力增力口?？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，以最大限度的增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)明的高透波超材料及其天線罩和天線系統(tǒng)在5-6GHZ頻率范圍內(nèi)的透波效率很高，損耗較小。天線加上天線罩后，天線的輻射能力得到了加強，有效提聞了增益。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中圖I是依據(jù)本發(fā)明一實施例的高透波超材料的一個超材料片層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是由多個圖I所示的超材料片層堆疊形成的高透波超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明一實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是高透波超材料的S參數(shù)示意圖。
具體實施例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，通過對微結(jié)構(gòu)的有序排列，可以改變空間中每點的相對介電常數(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?；谌嗽煳⒔Y(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。并可通過調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)尺寸進行頻率選擇，根據(jù)需要調(diào)整相應(yīng)透波和濾波頻率。本發(fā)明提供了一種高透波超材料，包括至少一個超材料片層I，如圖I和圖2所示。每個超材料片層I包括第一基板10、第二基板20和夾設(shè)在兩基板之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結(jié)構(gòu)30，相鄰的人造微結(jié)構(gòu)30之間的間距為0. 2mm。當超材料片層I有多個時，各個超材料片層I沿垂直于片層的方向疊加，并通過機械連接、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。 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的第一基板10可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元上排布有一個所述人造微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明一實施例中，以兩個基板為例進行說明，但是在實際設(shè)計時，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，同樣能夠達到本發(fā)明的目的。如圖4-5所示，每一超材料單元的長和寬均為a=21mm，人造微結(jié)構(gòu)30與超材料單元的邊界之間的距離w2=0. Imm0每一人造微結(jié)構(gòu)30包括口字形結(jié)構(gòu)31、以及設(shè)置在口字形結(jié)構(gòu)31內(nèi)部且分別與口字形結(jié)構(gòu)31的四個端角圍合成正方形結(jié)構(gòu)的四個直角彎折部32，直角彎折部32之間無交叉重疊；口字形結(jié)構(gòu)31的四個端角處分別開設(shè)有缺口。在本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，口字形結(jié)構(gòu)31的四個端角處開設(shè)的缺口尺寸相同。在本發(fā)明一優(yōu)選實施例中，四個直角彎折部32與口字形結(jié)構(gòu)31的四個端角圍合而成的四個正方形結(jié)構(gòu)尺寸相等?？谧中谓Y(jié)構(gòu)31和直角彎折部32由金屬線構(gòu)成，金屬線的線寬wl均為0. 1mm?？谧中谓Y(jié)構(gòu)31的邊長相等，邊長為20. 8mm，兩相對邊之間的距離b為20. 6mm。由于口字形結(jié)構(gòu)31的四個端角開設(shè)有缺口，因此口字形結(jié)構(gòu)31由四根相互垂直但不相交的金屬線構(gòu)成，金屬線的長度d相等且每一金屬線的兩個端點到相鄰的金屬線的距離相等，金屬線的長度d取值范圍為17 19mm,優(yōu)選d=18mm。每一正方形結(jié)構(gòu)的兩相對邊之間的距離c為3. 5 3. 9mm,優(yōu)選 c=3. 7mm。在本發(fā)明一實施例中，第一基板10和第二基板20的厚度均為2mm，人造微結(jié)構(gòu)30的厚度為0.018mm。口字形結(jié)構(gòu)31的每一根金屬線的長度d為18mm,每一正方形結(jié)構(gòu)的兩相對邊之間的距離c為3. 7mm,wl=w2=0. 1mm。此處的數(shù)值僅為示例，在實際應(yīng)用中，可以依據(jù)實際需求進行調(diào)整，本發(fā)明對此不作限制。在本發(fā)明中，第一基板10和第二基板20優(yōu)選介電常數(shù)為2. 65，介質(zhì)損耗角正切為0. 001的材料。在本發(fā)明一實施例中，第一基板10和第二基板20優(yōu)選F4B(聚四氟乙烯)材料。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還可以采用比如陶瓷、PP(聚丙烯)、FR4、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料，Acrylonitrile Butadiene Styrene)>HDPE (高密度聚乙烯，High DensityPoIyethyIene)>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，當然也可以采用銀線、IT0、石墨或者碳納米管等導(dǎo)電材料制成。本發(fā)明的高透波超材料的S參數(shù)隨頻率變化的示意圖如圖6所示，所用第一基板10和第二基板20由F4B材料制得。由圖6可以看到，在5GHz時，S21=_0. 032541dB ;在6GHz時，S21=-0. 042943dB。因此，本發(fā)明的高透波超材料天線罩在5_6GHz頻率范圍內(nèi)S21均大于-0. 5dB，Sll很小，具有高透波特性。本發(fā)明還提供一種高透波超材料天線罩，高透波超材料天線罩罩設(shè)于天線上，包括如上文所述的高透波超材料。關(guān)于高透波超材料的詳細內(nèi)容可參見上文，此處不再贅述。附圖中示意的高透波超材料的形狀為平板狀，將高透波超材料應(yīng)用于天線罩上時，在實際 設(shè)計時也可以根據(jù)實際需求來設(shè)計高透波超材料的形狀，比如可以設(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。本發(fā)明還提供一種天線系統(tǒng)，包括天線，以及如上文所述的高透波超材料天線罩，高透波超材料天線罩罩設(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。天線可以是例如但不限于平板天線。本發(fā)明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)，使得基于超材料的天線罩的透波性能增強，抗干擾能力增加?？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，以最大限度的增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)明的高透波超材料及其天線罩和天線系統(tǒng)在5-6GHz頻率范圍內(nèi)的透波效率很高，損耗較小。天線加上天線罩后，天線的輻射能力得到了加強，有效提高了增益。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，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)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高透波超材料，其特征在于，包括至少ー個超材料片層，每ー超材料片層包括第一基板、第二基板和夾設(shè)在第一基板和第二基板之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結(jié)構(gòu)； 所述人造微結(jié)構(gòu)包括ロ字形結(jié)構(gòu)、以及設(shè)置在ロ字形結(jié)構(gòu)內(nèi)部且分別與ロ字形結(jié)構(gòu)的四個端角圍合成正方形結(jié)構(gòu)的四個直角彎折部，直角彎折部之間無交叉重疊；所述ロ字形結(jié)構(gòu)的四個端角處分別開設(shè)有缺ロ。
2.一種高透波超材料天線罩，其特征在于，所述高透波超材料天線罩罩設(shè)于天線上，包括如權(quán)利要求I所述的高透波超材料，所述高透波超材料包括至少ー個超材料片層，每ー超材料片層包括第一基板、第二基板和夾設(shè)在第一基板和第二基板之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結(jié)構(gòu)； 所述人造微結(jié)構(gòu)包括ロ字形結(jié)構(gòu)、以及設(shè)置在ロ字形結(jié)構(gòu)內(nèi)部且分別與ロ字形結(jié)構(gòu)的四個端角圍合成正方形結(jié)構(gòu)的四個直角彎折部，直角彎折部之間無交叉重疊；所述ロ字形結(jié)構(gòu)的四個端角處分別開設(shè)有缺ロ。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的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超材料単元，其中每ー超材料単元上排布有一個所述人造微結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高透波超材料天線罩，其特征在干，每ー超材料単元的長和寬均為21_。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高透波超材料天線罩，其特征在干，所述人造微結(jié)構(gòu)與所述超材料単元的邊界之間的距離為0. 1mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高透波超材料天線罩，其特征在于，所述ロ字形結(jié)構(gòu)的四個端角處開設(shè)的缺ロ尺寸相同；四個直角彎折部與ロ字形結(jié)構(gòu)的四個端角圍合而成的四個正方形結(jié)構(gòu)尺寸相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高透波超材料天線罩，其特征在于，所述ロ字形結(jié)構(gòu)和直角彎折部由金屬線構(gòu)成，金屬線的線寬均為0. 1mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高透波超材料天線罩，其特征在于，所述ロ字形結(jié)構(gòu)的邊長相等，邊長為20. 8mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高透波超材料天線罩，其特征在于，所述ロ字形結(jié)構(gòu)每ー邊的金屬線的長度為17 19mm ;每一正方形結(jié)構(gòu)的兩相對邊之間的距離為3. 5^3. 9mm。
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2、任一項所述的高透波超材料天線罩，所述高透波超材料天線罩罩設(shè)于天線上。
全文摘要
本發(fā)明涉及高透波超材料及其天線罩和天線系統(tǒng)。高透波超材料包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括第一基板、第二基板和夾設(shè)在第一基板和第二基板之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結(jié)構(gòu)；所述人造微結(jié)構(gòu)包括口字形結(jié)構(gòu)、以及設(shè)置在口字形結(jié)構(gòu)內(nèi)部且分別與口字形結(jié)構(gòu)的四個端角圍合成正方形結(jié)構(gòu)的四個直角彎折部，直角彎折部之間無交叉重疊；所述口字形結(jié)構(gòu)的四個端角處分別開設(shè)有尺寸相同的缺口。本發(fā)明的高透波超材料及其天線罩和天線系統(tǒng)在5-6GHz頻率范圍內(nèi)的透波效率很高，損耗較小。天線加上天線罩后，天線的輻射能力得到了加強，有效提高了增益。
文檔編號H01Q1/42GK102769196SQ201210220478
公開日2012年11月7日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者付少麗, 劉若鵬, 張嶺, 方小偉, 趙治亞 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司