專利名稱：寬頻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)明涉及透波材料，更具體地說，涉及寬頻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(jì)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(shí)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(jì)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，在保護(hù)天線免受外部環(huán)境影響的條件下不具備增強(qiáng)天線方向性和提高天線增益的功能，透波性能較差。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(shí)現(xiàn)資源的重復(fù)使用，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)以及設(shè)備成本的提聞。

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、工作頻段較窄的缺陷，提供一種寬頻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)方案是提供一種寬頻透波超材料，所述寬頻透波超材料的工作頻段為7-18GHZ，包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括第一基板、第二基板以及夾設(shè)于第一基板與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)；所述第一基板與第二基板的厚度不同；所述人造微結(jié)構(gòu)為十字形結(jié)構(gòu)，多個十字形結(jié)構(gòu)陣列排布成網(wǎng)格狀且相鄰十字形結(jié)構(gòu)之間無間隙；所述超材料片層可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元排布有一個所述十字形微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明所述的寬頻透波超材料中，所述第一基板和第二基板的介電常數(shù)為2.2 2. 4。在本發(fā)明所述的寬頻透波超材料中，所述第一基板和第二基板的損耗角正切小于0. 005。在本發(fā)明所述的寬頻透波超材料中，所述十字形結(jié)構(gòu)由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構(gòu)成。在本發(fā)明所述的寬頻透波超材料中，每一超材料單元的邊長為8. 5^9. 5mm，所述金屬絲的長度與超材料單元的邊長相等。在本發(fā)明所述的寬頻透波超材料中，所述金屬絲的線寬為0. lmm。在本發(fā)明所述的寬頻透波超材料中，所述第一基板與第二基板由HIPS材料制成。在本發(fā)明所述的寬頻透波超材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)的厚度為0. 018mm。 在本發(fā)明所述的寬頻透波超材料中，所述第一基板的厚度為I. 2mm，所述第二基板的厚度為2. 4mm。本發(fā)明還提供一種天線罩，用于罩設(shè)在天線上，包括如上所述的寬頻透波超材料。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天線罩，所述天線罩罩設(shè)于天線上。
實(shí)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)，抗干擾能力增力口。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(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)對材料厚度和介電常數(shù)的限制。天線加上天線罩后，天線的輻射能力得到了加強(qiáng)，有效提高了增益。本發(fā)明的寬頻透波超材料和天線罩工作在7-18GHZ頻帶內(nèi)，在此頻帶內(nèi)的透波效率很高。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中圖I是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的寬頻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寬頻透波超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的超材料片層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的人造微結(jié)構(gòu)的排布示意圖；圖5是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的人造微結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的寬頻透波超材料的S參數(shù)示意圖；圖7是本發(fā)明的天線罩與純材料天線罩的S參數(shù)對比示意圖。
具體實(shí)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(diǎn)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(shí)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。基于人造微結(jié)構(gòu)的寬頻透波超材料可以通過調(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(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)明提供了一種寬頻透波超材料，寬頻透波超材料包括至少一個超材料片層1，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(shí)，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寬頻透波超材料來使用。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。圖中示出的寬頻透波超材料是板狀矩形的，在實(shí)際使用時(shí)，可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)成其它形狀。例如如果是圓形截面的喇叭天線，則為了將天線罩罩設(shè)于喇叭天線上，則需要設(shè)計(jì)成與天線的圓形截面相匹配的圓板狀，而不是圖I所示的矩形形狀；如果使用的是矩形截面的喇叭天線，則需要將天線罩設(shè)計(jì)成與天線的矩形口徑相匹配的矩形形狀。本發(fā)明對寬頻透波超材料以及用作天線罩時(shí)的具體形狀不做限制。 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包括第一基板10、第二基板20以及夾設(shè)于第一基板10與第二基板20之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結(jié)構(gòu)30。人造微結(jié)構(gòu)30為十字形結(jié)構(gòu),第一基板10與第二基板20的厚度不同。多個十字形結(jié)構(gòu)陣列排布成網(wǎng)格狀且相鄰十字形結(jié)構(gòu)之間無間隙。超材料片層I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十字形微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明一實(shí)施例中，以兩個基板為例進(jìn)行說明，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，也可以僅采用第一基板10，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4-5所示,每一超材料單元的邊長相等，a取值范圍為8. 5 9. 5mm,優(yōu)選9. 2mm。人造微結(jié)構(gòu)30緊貼超材料單元的邊界。人造微結(jié)構(gòu)30為十字形結(jié)構(gòu)，十字形結(jié)構(gòu)由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構(gòu)成。十字形結(jié)構(gòu)的金屬絲的線寬w=0. 1mm，金屬絲的長度與超材料單元的邊長相等。第一基板10的厚度為I. 2mm，第二基板20的厚度為2. 4mm，人造微結(jié)構(gòu)30的厚度為0. 018_。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，本發(fā)明對此不作限制。第一基板和第二基板選取介電常數(shù)為2. 2 2. 4、損耗角正切小于0. 005的介質(zhì)材料。在本發(fā)明一實(shí)施例中，第一基板10和第二基板20由HIPS (耐沖擊性聚苯乙烯，Highimpact polystyrene)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、IT0、石墨或者碳納米管等導(dǎo)電材料制成。附圖中示意的寬頻透波超材料的形狀為平板狀，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)成圓球狀或者與用作天線罩時(shí)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。本實(shí)施例的寬頻透波超材料的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HIPS材料制成。由圖6可以看到，本發(fā)明的技術(shù)方案在基板上附著人造微結(jié)構(gòu)后,在7GHz時(shí)S21參數(shù)為-0. 45925dB，在18GHz時(shí)，S21參數(shù)為-0. 48698dB。從圖中可知，在疒18GHz范圍內(nèi)S21參數(shù)都大于-0. 5dB，而且反射系數(shù)很小，小于-10dB。采用本發(fā)明的天線罩具有良好的透波性能。本發(fā)明還提供一種天線罩，用于罩設(shè)在天線上，包括如上所述的寬頻透波超材料。圖7是本發(fā)明的天線罩與純材料天線罩的S參數(shù)對比示意圖。Sll、S21分別表示本發(fā)明的寬頻透波超材料的反射系數(shù)和透射系數(shù)；S11_1、S21_l分別表示純材料天線罩(不添加本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)，僅兩層基板)的反射系數(shù)和透射系數(shù)。由圖7可知，在7. 262GHz^l8GHz范圍內(nèi)，本發(fā)明的寬頻透波超材料的反射系數(shù)Sll均低于純材料天線罩的反射系數(shù)Sll_l，透射系數(shù)S21均高于純材料天線罩的 透射系數(shù)S21_l。本發(fā)明還提供一種天線系統(tǒng)，包括天線，以及如上文所述的天線罩，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。微波天線可以是例如但不限于喇叭天線等。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(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)對材料厚度和介電常數(shù)的限制。而且本發(fā)明的寬頻透波超材料和天線罩在7-18GHZ范圍內(nèi)的透波效率很高。天線加上天線罩后，天線的輻射能力得到了加強(qiáng)，有效提高了增益，輻射方向性增強(qiáng)。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)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(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(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
1.一種寬頻透波超材料，其特征在于，所屬寬頻透波超材料的工作頻段為7-18GHZ，包括至少ー個超材料片層，每ー超材料片層包括第一基板、第二基板以及夾設(shè)于第一基板與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)；所述第一基板與第二基板的厚度不同；所述人造微結(jié)構(gòu)為十字形結(jié)構(gòu)，多個十字形結(jié)構(gòu)陣列排布成網(wǎng)格狀且相鄰十字形結(jié)構(gòu)之間無間隙； 所述超材料片層可劃分為多個超材料単元，其中每ー超材料單元排布有一個所述十字形微結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻透波超材料，其特征在于，所述第一基板和第二基板的介電常數(shù)為2. 2 2. 4。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬頻透波超材料，其特征在干，所述第一基板和第二基板的損耗角正切小于0. 005。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻透波超材料，其特征在于，所述十字形結(jié)構(gòu)由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬頻透波超材料，其特征在干，每ー超材料単元的邊長為8.5 9. 5mm,所述金屬絲的長度與超材料單元的邊長相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬頻透波超材料，其特征在于，所述金屬絲的線寬為0.1mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻透波超材料，其特征在于，所述第一基板與第二基板由HIPS材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻透波超材料，其特征在于，所述第一基板的厚度為I.2mm,所述第二基板的厚度為2. 4mm。
9.ー種天線罩，其特征在于，用于罩設(shè)在天線上，包括如權(quán)利要求f 8任ー項(xiàng)所述的寬頻透波超材料。
10.一種天線系統(tǒng)，其特征在干，包括天線以及如權(quán)利要求9所述的天線罩，所述天線罩罩設(shè)于天線上。
全文摘要
本發(fā)明涉及寬頻透波超材料及其天線罩和天線系統(tǒng)。寬頻透波超材料的工作頻段為7-18GHz，包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括第一基板、第二基板以及夾設(shè)于第一基板與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)；所述第一基板與第二基板的厚度不同；所述人造微結(jié)構(gòu)為十字形結(jié)構(gòu)，多個十字形結(jié)構(gòu)陣列排布成網(wǎng)格狀且相鄰十字形結(jié)構(gòu)之間無間隙；所述超材料片層可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元排布有一個所述十字形微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的寬頻透波超材料及其天線罩和天線系統(tǒng)工作在7-18GHz頻帶內(nèi)，在此頻帶內(nèi)的透波效率很高。
文檔編號H01Q1/42GK102760963SQ20121022621
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月3日
發(fā)明者劉若鵬, 方小偉, 王凡, 王海蓮, 趙治亞 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司