CN102760963A

CN102760963A - 宽频透波超材料及其天线罩和天线***

Info

Publication number: CN102760963A
Application number: CN2012102262175A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 赵治亚; 方小伟; 王海莲; 王凡
Original assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: CN102760963B

Abstract

本发明涉及宽频透波超材料及其天线罩和天线***。宽频透波超材料的工作频段为7-18GHz，包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一基板、第二基板以及夹设于第一基板与第二基板之间且阵列排布的多个尺寸相同的人造微结构；所述第一基板与第二基板的厚度不同；所述人造微结构为十字形结构，多个十字形结构阵列排布成网格状且相邻十字形结构之间无间隙；所述超材料片层可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元排布有一个所述十字形微结构。本发明的宽频透波超材料及其天线罩和天线***工作在7-18GHz频带内，在此频带内的透波效率很高。

Description

宽频透波超材料及其天线罩和天线***

技术领域

本发明涉及透波材料，更具体地说，涉及宽频透波超材料及其天线罩和天线***。

背景技术

超材料，俗称超材料，是一种新型人工合成材料，是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个人造微结构构成的。基板可以虚拟地划分为矩形阵列排布的多个基板单元，每个基板单元上附着有人造微结构，从而形成一个超材料单元，整个超材料是由很多这样的超材料单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的。每个超材料单元上的人造微结构可以相同或者不完全相同。人造微结构是由金属丝组成的具有一定几何图形的平面或立体结构，例如组成圆环形、工字形的金属丝等。

由于人造微结构的存在，每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性，因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性；通过对人造微结构设计不同的具体结构和形状，可以改变整个超材料的响应特性。

一般情况下，天线***都会设置有天线罩。天线罩的目的是保护天线***免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，使天线***工作性能比较稳定、可靠。同时减轻天线***的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命。但是天线罩是天线前面的障碍物，对天线辐射波会产生吸收和反射，改变天线的自由空间能量分布，并在一定程度上影响天线的电气性能。

目前制备天线罩的材料多采用介电常数和损耗角正切低、机械强度高的材料，如玻璃钢、环氧树脂、高分子聚合物等，材料的介电常数具有不可调节性。结构上多为均匀单壁结构、夹层结构和空间骨架结构等，罩壁厚度的设计需兼顾工作波长、天线罩尺寸和形状、环境条件、所用材料在电气和结构上的性能等因素，在保护天线免受外部环境影响的条件下不具备增强天线方向性和提高天线增益的功能，透波性能较差。而且，天线罩的工作频段较窄，在不同的频段需求下需要更换天线罩，无法实现资源的重复使用，导致资源的浪费以及设备成本的提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述透波性能较差、工作频段较窄的缺陷，提供一种宽频透波超材料及其天线罩和天线***。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种宽频透波超材料，所述宽频透波超材料的工作频段为7-18GHz，包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一基板、第二基板以及夹设于第一基板与第二基板之间且阵列排布的多个尺寸相同的人造微结构；所述第一基板与第二基板的厚度不同；所述人造微结构为十字形结构，多个十字形结构阵列排布成网格状且相邻十字形结构之间无间隙；

所述超材料片层可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元排布有一个所述十字形微结构。

在本发明所述的宽频透波超材料中，所述第一基板和第二基板的介电常数为2.2~2.4。

在本发明所述的宽频透波超材料中，所述第一基板和第二基板的损耗角正切小于0.005。

在本发明所述的宽频透波超材料中，所述十字形结构由两条尺寸相同且垂直平分的金属丝构成。

在本发明所述的宽频透波超材料中，每一超材料单元的边长为8.5~9.5mm，所述金属丝的长度与超材料单元的边长相等。

在本发明所述的宽频透波超材料中，所述金属丝的线宽为0.1mm。

在本发明所述的宽频透波超材料中，所述第一基板与第二基板由HIPS材料制成。

在本发明所述的宽频透波超材料中，所述人造微结构的厚度为0.018mm。

在本发明所述的宽频透波超材料中，所述第一基板的厚度为1.2mm，所述第二基板的厚度为2.4mm。

本发明还提供一种天线罩，用于罩设在天线上，包括如上所述的宽频透波超材料。

本发明还提供一种天线***，包括天线以及如上所述的天线罩，所述天线罩罩设于天线上。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：通过在基板上附着特定形状的人造微结构，得到需要的电磁响应，使得基于超材料的天线罩的透波性能增强，抗干扰能力增加。可以通过调节人造微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现与空气的阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制。天线加上天线罩后，天线的辐射能力得到了加强，有效提高了增益。本发明的宽频透波超材料和天线罩工作在7-18GHz频带内，在此频带内的透波效率很高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是依据本发明一实施例的宽频透波超材料的一个超材料片层的结构示意图；

图2是由多个图1所示的超材料片层堆叠形成的宽频透波超材料的结构示意图；

图3是依据本发明一实施例的超材料片层的结构示意图；

图4是依据本发明一实施例的人造微结构的排布示意图；

图5是依据本发明一实施例的人造微结构的示意图；

图6是依据本发明一实施例的宽频透波超材料的S参数示意图；

图7是本发明的天线罩与纯材料天线罩的S参数对比示意图。

具体实施方式

超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料，通过对微结构的有序排列，可以改变空间中每点的相对介电常数和磁导率。超材料可以在一定范围内实现普通材料无法具备的折射率、阻抗以及透波性能，从而可以有效控制电磁波的传播特性。基于人造微结构的宽频透波超材料可以通过调节人造微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现与空气的阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射。并可通过调节微结构尺寸进行频率选择，根据需要调整相应透波和滤波频率。

本发明提供了一种宽频透波超材料，宽频透波超材料包括至少一个超材料片层1，如图1和图2所示。每个超材料片层1包括两个相对设置的基板和附着在两基板之间的阵列排布的人造微结构。当超材料片层1有多个时，各个超材料片层1沿垂直于片层的方向叠加，并通过机械连接、焊接或粘合的方式组装成一体，如图2所示。通常，在能够满足性能的情况下，一个超材料片层就可以作为宽频透波超材料来使用。阵列排布的人造微结构所在平面与电磁波的电场和磁场方向平行，与入射电磁波传播方向垂直。图中示出的宽频透波超材料是板状矩形的，在实际使用时，可以根据需求设计成其它形状。例如如果是圆形截面的喇叭天线，则为了将天线罩罩设于喇叭天线上，则需要设计成与天线的圆形截面相匹配的圆板状，而不是图1所示的矩形形状；如果使用的是矩形截面的喇叭天线，则需要将天线罩设计成与天线的矩形口径相匹配的矩形形状。本发明对宽频透波超材料以及用作天线罩时的具体形状不做限制。

图3示出了超材料片层的结构示意图（透视图）。超材料片层1包括第一基板10、第二基板20以及夹设于第一基板10与第二基板20之间且阵列排布的多个尺寸相同的人造微结构30。人造微结构30为十字形结构，第一基板10与第二基板20的厚度不同。多个十字形结构阵列排布成网格状且相邻十字形结构之间无间隙。

超材料片层1可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上排布有一个十字形微结构。在本发明一实施例中，以两个基板为例进行说明，但是在实际设计时，也可以仅采用第一基板10，而人造微结构阵列排布在第一基板10上，同样能够达到本发明的目的。

如图4-5所示，每一超材料单元的边长相等，a取值范围为8.5~9.5mm，优选9.2mm。人造微结构30紧贴超材料单元的边界。人造微结构30为十字形结构，十字形结构由两条尺寸相同且垂直平分的金属丝构成。十字形结构的金属丝的线宽w=0.1mm，金属丝的长度与超材料单元的边长相等。第一基板10的厚度为1.2mm，第二基板20的厚度为2.4mm，人造微结构30的厚度为0.018mm。此处的数值仅为示例，在实际应用中，可以依据实际需求进行调整，本发明对此不作限制。

第一基板和第二基板选取介电常数为2.2~2.4、损耗角正切小于0.005的介质材料。在本发明一实施例中，第一基板10和第二基板20由HIPS（耐冲击性聚苯乙烯，High impact polystyrene）材料制得。第一基板10和第二基板20之间通过填充液态基板原料或者通过组装相互连接在一起。人造微结构30通过蚀刻的方式附着在第一基板10上，当然人造微结构30也可以采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式附着在第一基板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、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。人造微结构30采用铜线制成，当然也可以采用银线、ITO、石墨或者碳纳米管等导电材料制成。附图中示意的宽频透波超材料的形状为平板状，在实际设计时也可以根据实际需求来设计天线罩的形状，比如可以设计成圆球状或者与用作天线罩时与天线形状匹配的形状（共形的天线罩）等，也不排除使用多个平板状结构拼接成需要的形状，本发明对此不作限制。

本实施例的宽频透波超材料的S参数随频率变化的示意图如图6所示，所用第一基板10和第二基板20由HIPS材料制成。由图6可以看到，本发明的技术方案在基板上附着人造微结构后，在7GHz时S21参数为-0.45925dB，在18GHz时，S21参数为-0.48698dB。从图中可知，在7~18GHz范围内S21参数都大于-0.5dB，而且反射系数很小，小于-10dB。采用本发明的天线罩具有良好的透波性能。

图7是本发明的天线罩与纯材料天线罩的S参数对比示意图。S11、S21分别表示本发明的宽频透波超材料的反射系数和透射系数；S11_1、S21_1分别表示纯材料天线罩（不添加本发明的人造微结构，仅两层基板）的反射系数和透射系数。由图7可知，在7.262GHz~18GHz范围内，本发明的宽频透波超材料的反射系数S11均低于纯材料天线罩的反射系数S11_1，透射系数S21均高于纯材料天线罩的透射系数S21_1。

本发明还提供一种天线***，包括天线，以及如上文所述的天线罩，天线罩罩设于天线上。天线包括辐射源、馈电单元等，具体构成可参阅相关技术资料，本发明对此不作限制。微波天线可以是例如但不限于喇叭天线等。

本发明通过在基板上附着特定形状的人造微结构，得到需要的电磁响应，使得基于超材料的天线罩的透波性能增强，抗干扰能力增加。可以通过调节人造微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现与空气的阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制。而且本发明的宽频透波超材料和天线罩在7-18GHz范围内的透波效率很高。天线加上天线罩后，天线的辐射能力得到了加强，有效提高了增益，辐射方向性增强。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种宽频透波超材料，其特征在于，所属宽频透波超材料的工作频段为7-18GHz，包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一基板、第二基板以及夹设于第一基板与第二基板之间且阵列排布的多个尺寸相同的人造微结构；所述第一基板与第二基板的厚度不同；所述人造微结构为十字形结构，多个十字形结构阵列排布成网格状且相邻十字形结构之间无间隙；

2.根据权利要求1所述的宽频透波超材料，其特征在于，所述第一基板和第二基板的介电常数为2.2~2.4。

3.根据权利要求2所述的宽频透波超材料，其特征在于，所述第一基板和第二基板的损耗角正切小于0.005。

4.根据权利要求1所述的宽频透波超材料，其特征在于，所述十字形结构由两条尺寸相同且垂直平分的金属丝构成。

5.根据权利要求4所述的宽频透波超材料，其特征在于，每一超材料单元的边长为8.5~9.5mm，所述金属丝的长度与超材料单元的边长相等。

6.根据权利要求4所述的宽频透波超材料，其特征在于，所述金属丝的线宽为0.1mm。

7.根据权利要求1所述的宽频透波超材料，其特征在于，所述第一基板与第二基板由HIPS材料制成。

8.根据权利要求1所述的宽频透波超材料，其特征在于，所述第一基板的厚度为1.2mm，所述第二基板的厚度为2.4mm。

9.一种天线罩，其特征在于，用于罩设在天线上，包括如权利要求1~8任一项所述的宽频透波超材料。

10.一种天线***，其特征在于，包括天线以及如权利要求9所述的天线罩，所述天线罩罩设于天线上。