專利名稱：寬頻帶超材料天線罩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線罩，更具體地說，涉及寬頻帶超材料天線罩。
背景技術(shù)：
超材料，俗稱超材料，是ー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単元，每個基板単元上附著有人造微結(jié)構(gòu)，從而形成ー個超材料単元，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。每個超材料単元上的人造微結(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、エ字形的金屬絲等。
由于人造微結(jié)構(gòu)的存在，每個超材料単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(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(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(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，無法實現(xiàn)資源的重復(fù)使用，導(dǎo)致資源的浪費以及設(shè)備成本的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在干，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述透波性能較差且工作頻段較窄，不具備選擇性透波的缺陷，提供ー種具有濾波功能的寬頻帶超材料天線罩。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造ー種寬頻帶超材料天線罩，包括至少ー個超材料片層，每ー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人造微結(jié)構(gòu)；每一人造微結(jié)構(gòu)包括ロ字形結(jié)構(gòu)，所述ロ字形結(jié)構(gòu)的四個拐角處分別開設(shè)ー缺ロ，且每ー缺ロ處設(shè)置ー開ロ向外的U形結(jié)構(gòu)；所述ロ字形結(jié)構(gòu)的其中ー邊的中心位置處設(shè)置有兩個尺寸相同且平行的一字形結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明所述的寬頻帶超材料天線罩中，每ー超材料片層還包括覆蓋于所述多個人造微結(jié)構(gòu)上的第二基板。在本發(fā)明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)。
在本發(fā)明所述的寬頻帶超材料天線罩中，每ー超材料単元的長和寬均為12. 5_。在本發(fā)明所述的寬頻帶超材料天線罩中，所述ロ字形結(jié)構(gòu)由四根尺寸相同的金屬絲構(gòu)成，相鄰的兩個金屬絲相互垂直，相対的兩個金屬絲相互平行。在本發(fā)明所述的寬頻帶超材料天線罩中，每ー金屬絲的寬度為0. 2mm，相対的兩個金屬絲之間的距離為10. 8mm。在本發(fā)明所述的寬頻帶超材料天線罩中，任一 U形結(jié)構(gòu)繞所述ロ字形結(jié)構(gòu)的中心順時針旋轉(zhuǎn)90度后與順時針方向的相鄰U形結(jié)構(gòu)重合。在本發(fā)明所述的寬頻帶超材料天線罩中，所述ロ字形結(jié)構(gòu)的兩個相對拐角上的U形結(jié)構(gòu)關(guān)于所述ロ字形結(jié)構(gòu)的中心對稱。在本發(fā)明所述的寬頻帶超材料天線罩中，任一 U形結(jié)構(gòu)包括兩個尺寸相同且相互平行的金屬邊以及連接所述兩個金屬邊的底邊，其中所述金屬邊和底邊的寬度均為0. 2mm, 所述金屬邊的長度為I. 8mm,所述底邊的長度為0. 55mm。在本發(fā)明所述的寬頻帶超材料天線罩中，所述一字形結(jié)構(gòu)的寬度為0. 2mm，長度為I. 8mm。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(qiáng)，抗干擾能力增カロ。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，以最大限度的増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。而且本發(fā)明的天線罩的工作頻帶在9-28GHZ之間，帶寬接近20GHz，且在此頻帶內(nèi)的透波效率很高，在此頻帶以外具有帶阻特性，可實現(xiàn)選擇性濾波。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)ー步說明，附圖中圖I是依據(jù)本發(fā)明ー實施例的寬頻帶超材料天線罩的ー個超材料片層的結(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寬頻帶超材料天線罩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明ー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)的示意圖；圖5是寬頻帶超材料天線罩的S參數(shù)示意圖。
具體實施例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，以最大限度的増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(jìn)行頻率選擇，根據(jù)需要調(diào)整相應(yīng)透波和濾波頻率。本發(fā)明提供了ー種超材料天線罩，包括至少ー個超材料片層I，如圖I和圖2所示。每個超材料片層I包括兩個相對設(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有多個時，各個超材料片層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。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。超材料片層I中的第一基板10可劃分為多個超材料単元，其中每ー超材料単元上排布有ー個人造微結(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的面向第ニ基板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可劃分為多個超材料單兀，其中姆ー超材料單兀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，姆ー超材料単元的長和寬為b = 12. 5_。這里以兩個基板為例進(jìn)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(dá)到本發(fā)明的目的。如圖4所示，每ー人造微結(jié)構(gòu)30包括ロ字形結(jié)構(gòu)，ロ字形結(jié)構(gòu)的四個拐角處分別開設(shè)ー缺ロ，且每ー缺ロ處設(shè)置ー開ロ向外的U形結(jié)構(gòu)n，U形結(jié)構(gòu)n與ロ字形結(jié)構(gòu)的端點無縫連接。ロ字形結(jié)構(gòu)的其中ー邊的中心0位置處設(shè)置有兩個尺寸相同且平行的一字形結(jié)構(gòu)P。ロ字形結(jié)構(gòu)由四根尺寸相同的金屬絲m構(gòu)成，相鄰的兩個金屬絲相互垂直，相對的兩個金屬絲相互平行。每ー金屬絲的寬度為f = 0. 2mm，相対的兩個金屬絲之間的距離為a =10. 8mm。一字形結(jié)構(gòu)p的寬度為e = 0. 2mm,長度為d = I. 8mm,兩個一字形結(jié)構(gòu)p之間的間隔為0. 15mm。一字形結(jié)構(gòu)p可由金屬絲構(gòu)成。姆ー人造微結(jié)構(gòu)30所在的超材料單元的長和寬為b = 12. 5mm。任一 U形結(jié)構(gòu)n繞ロ字形結(jié)構(gòu)的中心順時針旋轉(zhuǎn)90度后與順時針方向的相鄰U形結(jié)構(gòu)重合。ロ字形結(jié)構(gòu)的兩個相對拐角上的U形結(jié)構(gòu)n關(guān)于ロ字形結(jié)構(gòu)的中心0對稱。任一U形結(jié)構(gòu)n包括兩個尺寸相同且相互平行的金屬邊以及連接兩個金屬邊的底邊，其中金屬邊和底邊的寬度均為0. 2_，金屬邊的長度為c = I. 8_，底邊的長度為w = 0. 55_。第一基板10和第二基板20的厚度均為2mm,人造微結(jié)構(gòu)的厚度為0. 018mm。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(jìn)行調(diào)整，本發(fā)明對此不作限制。在本發(fā)明ー實施例中，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(dāng)然人造微結(jié)構(gòu)30也可以采用電鍍、鉆亥IJ、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)30采用銅線制成，當(dāng)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。附圖中示意的天線罩的形狀為平板狀，在實際設(shè)計時也可以根據(jù)實際需求來設(shè)計天線罩的形狀，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，本發(fā)明對此不作限制。本實施例的超材料天線罩的S參數(shù)隨頻率變化的示意圖如圖5所示,在9-28GHz頻段具有良好的透波性能。而頻帶以外具有帶阻特性，可作為選擇性濾波功能使用。因此本發(fā)明提供的天線罩在滿足很好的透波性能外還具有濾波功能，這樣在很大程度上降低了天線本身的濾波性能需求，同時也就降低了天線所使用濾波器的成本。寬頻帶特性使得在處于9-28GHZ頻段內(nèi)的不同頻段需求下無需更換天線罩，能實現(xiàn)資源的重復(fù)使用，降低了因需求的更改增設(shè)新設(shè)備的成本。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(qiáng)，抗干擾能力増加?？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，以最大限度的増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。在滿足寬頻帶需求的情況下，還能夠?qū)崿F(xiàn)濾波功能。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)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，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種寬頻帶超材料天線罩，其特征在于，包括至少一個超材料片層，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人造微結(jié)構(gòu)；每一人造微結(jié)構(gòu)包括口字形結(jié)構(gòu)，所述口字形結(jié)構(gòu)的四個拐角處分別開設(shè)一缺口，且每一缺口處設(shè)置一開口向外的U形結(jié)構(gòu)；所述口字形結(jié)構(gòu)的其中一邊的中心位置處設(shè)置有兩個尺寸相同且平行的一字形結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻帶超材料天線罩，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所述的寬頻帶超材料天線罩，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)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻帶超材料天線罩，其特征在于，每一超材料單元的長和寬均為12. 5謹(jǐn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬頻帶超材料天線罩，其特征在于，所述口字形結(jié)構(gòu)由四根尺寸相同的金屬絲構(gòu)成，相鄰的兩個金屬絲相互垂直，相對的兩個金屬絲相互平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的寬頻帶超材料天線罩，其特征在于，每一金屬絲的寬度為O.2mm，相對的兩個金屬絲之間的距離為10. 8mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻帶超材料天線罩，其特征在于，任一U形結(jié)構(gòu)繞所述口字形結(jié)構(gòu)的中心順時針旋轉(zhuǎn)90度后與順時針方向的相鄰U形結(jié)構(gòu)重合。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的寬頻帶超材料天線罩，其特征在于，所述口字形結(jié)構(gòu)的兩個相對拐角上的U形結(jié)構(gòu)關(guān)于所述口字形結(jié)構(gòu)的中心對稱。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的寬頻帶超材料天線罩，其特征在于，任一U形結(jié)構(gòu)包括兩個尺寸相同且相互平行的金屬邊以及連接所述兩個金屬邊的底邊，其中所述金屬邊和底邊的寬度均為O. 2mm,所述金屬邊的長度為I. 8mm,所述底邊的長度為O. 55mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻帶超材料天線罩，其特征在于，所述一字形結(jié)構(gòu)的寬度為O. 2mm,長度為I. 8mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及寬頻帶超材料天線罩，包括至少一個超材料片層，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人造微結(jié)構(gòu)；每一人造微結(jié)構(gòu)包括口字形結(jié)構(gòu)，所述口字形結(jié)構(gòu)的四個拐角處分別開設(shè)一缺口，且每一缺口處設(shè)置一開口向外的U形結(jié)構(gòu)；所述口字形結(jié)構(gòu)的其中一邊的中心位置處設(shè)置有兩個尺寸相同且平行的一字形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的天線罩在滿足寬頻帶的透波性能外還具有濾波功能，這樣在很大程度上降低了天線本身的濾波性能需求，而且本發(fā)明的天線罩的工作頻帶在9-28GHz之間，帶寬接近20GHz，且在此頻帶內(nèi)的透波效率很高，在此頻帶以外具有帶阻特性，可實現(xiàn)選擇性濾波。
文檔編號H01Q1/42GK102856642SQ20121005040
公開日2013年1月2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, 趙治亞, 方小偉, 楊樹坤, 王海蓮 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司