專利名稱：新型輕質(zhì)超材料及天線罩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料及天線罩，更具體地說，涉及一種新型輕質(zhì)超材料及天線罩。
背景技術(shù)：
天線罩用來保護天線系統(tǒng)免受風雨、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。對于高速飛行的飛行器，天線罩還可以解決高溫、空氣動力負荷和其它負荷給天線帶來的問題。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、但機械強度高的材料， 如玻璃鋼、環(huán)氧樹脂、高分子聚合物等，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。在由上述現(xiàn)有的材料制成的天線罩中，由于罩壁厚度的設(shè)計需兼顧工作波長、天線罩尺寸、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，在保證天線機械強度時，重量往往較重，因而不適宜應(yīng)用在飛機等需要輕質(zhì)的場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種新型輕質(zhì)超材料及天線罩。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種新型輕質(zhì)超材料，該材料包括至少一個材料片層，每個材料片層包括至少一塊介質(zhì)基板及設(shè)置在所述介質(zhì)基板上的人造金屬微結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)基板由聚合物基復合材料或泡沫材料制成，所述聚合物基復合材料包括基體及與所述基體進行組合的增強材料。進一步地，所述增強材料是纖維。進一步地，所述纖維是中空纖維。進一步地，所述位于表層的中空纖維內(nèi)灌有粘接劑。進一步地，所述纖維可以是玻璃纖維、芳綸纖維、尼龍纖維、聚酯纖維或粘膠纖維的一種或多種。進一步地，所述基體材料可以是熱熱塑性樹脂、熱固性樹脂或橡膠。本發(fā)明還公開了一種天線罩，所述天線罩由超材料制成，所述超材料包括至少一個材料片層，每個材料片層包括至少一塊介質(zhì)基板及設(shè)置在所述介質(zhì)基板上的人造金屬微結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)基板由聚合物基復合材料或泡沫材料制成，所述聚合物基復合材料包括基體及與所述基體進行組合的增強材料。進一步地，所述增強材料是中空纖維。進一步地，所述位于表層的中空纖維內(nèi)灌有粘接劑。進一步地，所述介質(zhì)基板虛擬地劃分為多個陣列排布的介質(zhì)基板單元，每個介質(zhì)基板單元表面虛擬地建立平面直角坐標系，位于所述坐標系的每一象限內(nèi)均設(shè)置有附著在介質(zhì)基板單元上的一個第一人造金屬微結(jié)構(gòu)，位于所述坐標系的坐標軸上設(shè)置有附著在所述介質(zhì)基板上的第二人造金屬微結(jié)構(gòu)，其中，所述第一人造金屬微結(jié)構(gòu)呈王字形或倒王字形結(jié)構(gòu)，所述第二人造金屬微結(jié)構(gòu)呈十字形結(jié)構(gòu)。實施本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明介質(zhì)基板由聚合物基復合材料或泡沫材料制成，因而各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料，而滿足各種不同的要求，充分展示各自的優(yōu)點，總體重量輕并能實現(xiàn)較佳結(jié)構(gòu)設(shè)計。


圖I是本發(fā)明一種實施例的新型輕質(zhì)超材料一個材料片層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實施例中人造金屬微結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是實施例中金屬微結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實施例提出的新型輕質(zhì)超材料S參數(shù)仿真圖。
具體實施例方式超材料是一種人工電磁材料，其是指將金屬片鏤刻成特定形狀的拓撲金屬微結(jié)構(gòu)，并將所述特定形狀的拓撲金屬微結(jié)構(gòu)設(shè)置于一定介電常數(shù)和磁導率基材上而加工制造的等效特種電磁材料，其性能參數(shù)主要取決于其亞波長的特定形狀的拓撲金屬微結(jié)構(gòu)。在諧振頻段，人工電磁材料通常體現(xiàn)出高度的色散特性，換言之，其阻抗、容感性、等效的介電常數(shù)和磁導率隨著頻率會發(fā)生劇烈的變化。因而可采用人工電磁材料技術(shù)對天線罩的基本特性進行改造。請參閱圖I至圖3，本發(fā)明提供一種新型輕質(zhì)超材料，該材料包括一個材料片層， 所述材料片層包括兩塊介質(zhì)基板I及設(shè)置在所述一塊介質(zhì)基板I上的人造金屬微結(jié)構(gòu)，所有人造金屬微結(jié)構(gòu)形成一層人造金屬微結(jié)構(gòu)層2。所述介質(zhì)基板I由聚合物基復合材料制成，所述聚合物基復合材料包括基體11及與所述基體11進行組合的增強材料12。所述基體 11材料可以是熱熱塑性樹脂、熱固性樹脂或橡膠等，為了獲得較輕的重量，可采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料作為所述基體11材料；所述增強材料12是纖維，所述纖維可以是玻璃纖維、芳綸纖維、尼龍纖維、聚酯纖維或粘膠纖維的一種或多種。所述聚合物基體11材料與所述增強材料12相接觸的界面相互粘接形成一層界面層，所述界面層的結(jié)構(gòu)與性能呈梯度變化。所述聚合物基體11材料粘接性能好，能把纖維牢固地粘接起來，同時還能使載荷均勻分布，并傳遞到纖維上去，允許纖維承受壓縮和剪切載荷。所述纖維的高強度、高模量的特性使它成為理想的承載體。所述纖維和基體11之間的良好的結(jié)合，使材料之間在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。在本實施例中，所述纖維是中空纖維，所述位于表層的中空纖維內(nèi)灌有粘接劑，所述粘接劑可以是環(huán)氧樹脂膠粘劑。當本發(fā)明的所述介質(zhì)基板I因外力而產(chǎn)生微小裂紋時， 所述粘接劑就會流出來，封住破裂處，將其力量恢復到相當于原始力量80%至90%的水平，從而實現(xiàn)自我修復。為了使維修人員更易于發(fā)現(xiàn)裂縫，所述粘接劑可添加各種顏料進行著色，以便維修人員發(fā)現(xiàn)并作永久性的修復。此外，所述中空纖維可實現(xiàn)重量輕及降低介電常數(shù)的目的，因而本發(fā)明可用于在介電常數(shù)較低及要求重量輕的場合。所述人造金屬微結(jié)構(gòu)位于所述兩塊介質(zhì)基板I之間并置于所述基體11上，所述一個介質(zhì)基板I虛擬地劃分為多個陣列排布的介質(zhì)基板單元，每個介質(zhì)基板單元對應(yīng)一個金屬微結(jié)構(gòu)單元21。每個介質(zhì)基板單元表面虛擬地建立平面直角坐標系，位于所述坐標系的每一象限內(nèi)均設(shè)置有附著在介質(zhì)基板I上的一個第一人造金屬微結(jié)構(gòu)211，位于所述坐標系的坐標軸上設(shè)置有一個附著在所述介質(zhì)基板I上的第二人造金屬微結(jié)構(gòu)212，其中，所述第一人造金屬微結(jié)構(gòu)211呈王字形或倒王字形結(jié)構(gòu)，所述第二人造金屬微結(jié)構(gòu)212呈十字形結(jié)構(gòu)。在本實施例中，所述介質(zhì)基板單元位于所述坐標系的第一象限與第三象限內(nèi)的第一人造金屬微結(jié)構(gòu)211呈王字形結(jié)構(gòu)；所述介質(zhì)基板單元位于所述坐標系的第二象限與第四象限內(nèi)的第一人造金屬微結(jié)構(gòu)211呈倒王字形結(jié)構(gòu)，即所述四個王字形金屬結(jié)構(gòu)是由其中一象限的王字形金屬結(jié)構(gòu)圍繞垂直于微結(jié)構(gòu)平面的中心軸依次旋轉(zhuǎn)90°而成，它們在平面內(nèi)具有90°旋轉(zhuǎn)不變性。所述第二人造金屬微結(jié)構(gòu)212的正投影位于所述坐標系的橫軸和縱軸上，從而形成每個介質(zhì)基板I單元附著有五個金屬微結(jié)構(gòu)的形式。所述人造金屬微結(jié)構(gòu)可由銅線或銀線制成，在本實施例中，其由銀線制成。制作本發(fā)明時采用先在一介質(zhì)基板I上印制所述人造金屬微結(jié)構(gòu)，然后再蓋設(shè)另一介質(zhì)基板I的設(shè)計，因而很大程度上降低了工藝復雜性和操作成本。本發(fā)明新型輕質(zhì)超材料應(yīng)用在天線罩上時，其電磁波通過所述新型輕質(zhì)超材料的仿真圖如圖4所示，仿真結(jié)果顯示在頻率I. 86GHz和2. 3IGHz附近，天線罩具有良好的透波性能。另外，在I. 7GHz和2. 05GHz附近，天線罩的透射系數(shù)S21接近_50dB，透射最小，具有帶阻性質(zhì)。在此頻點附近可以作為選擇性濾波功能使用，因此，本發(fā)明的透波材料應(yīng)用在天線罩上時，則可削弱無用的電磁波對天線的干擾，增強整個天線通信系統(tǒng)的性能。通過合理設(shè)計所述人造金屬微結(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)該材料的阻抗與空氣的阻抗值基本相等，即實現(xiàn)阻抗匹配，以最大限度的增加入射電磁波的透射，所以減少了入射電磁波由空氣進入該材料時的反射；此外，其還可進行頻率選擇，可根據(jù)需要調(diào)整相應(yīng)透波和濾波頻率。本發(fā)明的天線罩減振性好及斷裂安全性好，應(yīng)用在汽車、動力機械等的振動問題十分突出的許多機器或設(shè)備上時表現(xiàn)較優(yōu)異。由于纖維增強復合材料比模量大，則自振頻率高，可避免產(chǎn)生共振而引起的早期破壞；另外纖維與界面吸振能力強，故振動阻尼性好， 即便發(fā)生振動也會很快衰減，從而實現(xiàn)減振性能好。由于纖維復合材料中有大量獨立的纖維，當構(gòu)件過載而有少數(shù)纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配到未破壞的纖維上，使整個構(gòu)件不至于在極短時間內(nèi)有整體破壞的危險，所以斷裂安全性好。綜上所述，本發(fā)明介質(zhì)基板I由聚合物基復合材料或泡沫材料制成，因而各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料，而滿足各種不同的要求，充分展示各自的優(yōu)點，總體重量輕并能實現(xiàn)較佳結(jié)構(gòu)設(shè)計。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，還可做出很多變形，例如，所述介質(zhì)基板I僅由硬質(zhì)聚氨酯泡沫等泡沫材料或氮化物陶瓷復合材料制成等，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種新型輕質(zhì)超材料，該材料包括至少一個材料片層，每個材料片層包括至少一塊介質(zhì)基板及設(shè)置在所述介質(zhì)基板上的人造金屬微結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述介質(zhì)基板由聚合物基復合材料或泡沫材料制成，所述聚合物基復合材料包括基體及與所述基體進行組合的增強材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的新型輕質(zhì)超材料，其特征在于，所述增強材料是纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型輕質(zhì)超材料，其特征在于，所述纖維是中空纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型輕質(zhì)超材料，其特征在于，所述位于表層的中空纖維內(nèi)灌有粘接劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4任一項所述的新型輕質(zhì)超材料，其特征在于，所述纖維是玻璃纖維、芳綸纖維、尼龍纖維、聚酯纖維、粘膠纖維的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至4任一項所述的新型輕質(zhì)超材料，其特征在于，所述基體材料是熱塑性樹脂、熱固性樹脂或橡膠。
7.一種天線罩，其特征在于，所述天線罩由超材料制成，所述超材料包括至少一個材料片層，每個材料片層包括至少一塊介質(zhì)基板及設(shè)置在所述介質(zhì)基板上的人造金屬微結(jié)構(gòu)， 所述介質(zhì)基板由聚合物基復合材料或泡沫材料制成，所述聚合物基復合材料包括基體及與所述基體進行組合的增強材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的天線罩，其特征在于，所述增強材料是中空纖維。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的天線罩，其特征在于，所述位于表層的中空纖維內(nèi)灌有粘接劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的天線罩，其特征在于，所述介質(zhì)基板虛擬地劃分為多個陣列排布的介質(zhì)基板單元，每個介質(zhì)基板單元表面虛擬地建立平面直角坐標系，位于所述坐標系的每一象限內(nèi)均設(shè)置有附著在介質(zhì)基板單元上的一個第一人造金屬微結(jié)構(gòu)，位于所述坐標系的坐標軸上設(shè)置有附著在所述介質(zhì)基板上的第二人造金屬微結(jié)構(gòu)，其中，所述第一人造金屬微結(jié)構(gòu)呈王字形或倒王字形結(jié)構(gòu)，所述第二人造金屬微結(jié)構(gòu)呈十字形結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型輕質(zhì)超材料及天線罩，該材料包括至少一個材料片層，每個材料片層包括至少一塊介質(zhì)基板及設(shè)置在所述介質(zhì)基板上的人造金屬微結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)基板由聚合物基復合材料或泡沫材料制成，所述聚合物基復合材料包括基體及與所述基體進行組合的增強材料。本發(fā)明介質(zhì)基板由聚合物基復合材料或泡沫材料制成，因而各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料，而滿足各種不同的要求，充分展示各自的優(yōu)點，總體重量輕并能實現(xiàn)較佳結(jié)構(gòu)設(shè)計。
文檔編號H01Q15/02GK102593604SQ20121005037
公開日2012年7月18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, 法布里齊亞·蓋佐, 趙治亞 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司