CN102760965B - 大角度透波超材料及其天线罩和天线*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及大角度透波超材料及其天线罩和天线***。大角度透波超材料包括多个超材料片层，每一超材料片层包括基板和阵列排布在所述基板上的多个形状和尺寸相同的人造微结构；相邻超材料片层的人造微结构形状不同。本发明的大角度透波超材料及其天线罩和天线***工作在19-22G GHz频带内，且在此频带内的透波效率很高。在大角入射情况下，损耗相对稳定，能保持较高的透波率。

Description

大角度透波超材料及其天线罩和天线***

技术领域

本发明涉及透波超材料，更具体地说，涉及大角度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，较难达到高透波要求，即使在保证高透射率的条件下也不具备大角度透波功能。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、工作频段较窄且不具备大角度透波功能的缺陷，提供一种大角度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：构造一种大角度透波超材料，包括多个超材料片层，每一超材料片层包括基板和阵列排布在所述基板上的多个形状和尺寸相同的人造微结构；相邻超材料片层的人造微结构形状不同。

在本发明所述的大角度透波超材料中，所述人造微结构包括金属贴片和十字形结构；多个超材料片层的基板上依次间隔排布有金属贴片和十字形结构。

在本发明所述的大角度透波超材料中，所述大角度透波超材料包括四个超材料片层，第一超材料片层和第三超材料片层的基板上阵列排布有金属贴片，第二超材料片层和第四超材料片层的基板上阵列排布有十字形结构。

在本发明所述的大角度透波超材料中，第一超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片与第三超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片尺寸不同；

第二超材料片层的基板上阵列排布的十字形结构与第四超材料片层的基板上阵列排布的十字形结构尺寸相同。

在本发明所述的大角度透波超材料中，第四超材料片层的基板的两个相对表面分别阵列排布有十字形结构和金属贴片，其中靠近第三超材料片层的表面阵列排布十字形结构，远离第三超材料片层的表面阵列排布金属贴片，且第四超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片与第一超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片尺寸相同。

在本发明所述的大角度透波超材料中，第一超材料片层和第三超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片为正方形金属贴片。

在本发明所述的大角度透波超材料中，第一超材料片层的基板上阵列排布的正方形金属贴片的边长为1.4mm；

第三超材料片层的基板上阵列排布的正方形金属贴片的边长为1.6mm。

在本发明所述的大角度透波超材料中，十字形结构均由两根垂直平分的金属线构成，每一金属线的线宽为0.2mm，长度为3.4mm。

在本发明所述的大角度透波超材料中，所述大角度透波超材料包括五个超材料片层，第一、第三、第五超材料片层的基板上阵列排布有金属贴片，第二、第四超材料片层的基板上阵列排布有十字形结构；

第二超材料片层的基板上阵列排布的十字形结构与第四超材料片层的基板上阵列排布的十字形结构尺寸相同；

第一超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片与第三超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片尺寸不同，第一超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片与第五超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片尺寸相同。

本发明还提供一种大角度透波超材料天线罩，用于罩设在天线本体上，包括如上所述的大角度透波超材料。

本发明还提供一种天线***，包括天线以及如上所述的大角度透波超材料天线罩，所述大角度透波超材料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。本发明的大角度透波超材料及其天线罩和天线***工作在19-22G GHz频带内，且在此频带内的透波效率很高。在大角入射情况下，损耗相对稳定，能保持较高的透波率。

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大角度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大角度透波超材料的结构示意图；

图3是依据本发明一实施例的第一超材料片层的结构示意图；

图4是第一超材料片层的人造微结构示意图；

图5是依据本发明一实施例的第二超材料片层的结构示意图；

图6是第二超材料片层的人造微结构示意图；

图7是依据本发明一实施例的第三超材料片层的结构示意图；

图8是依据本发明一实施例的第四超材料片层的结构示意图；

图9是依据本发明另一实施例的第四超材料片层的结构示意图；

图10是依据本发明一实施例的大角度透波超材料的S参数随频率变化的电路模拟仿真结果；

图11是依据本发明一实施例的大角度透波超材料在不同入射角度时的S参数随频率变化的实测图；

图12是本发明的大角度透波超材料的每一层超材料片层未附加人造微结构的情况下，在不同入射角度时的S参数随频率变化的实测图；

图13是本发明的大角度透波超材料与空气的阻抗匹配示意图。

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。基于人造微结构的超材料天线罩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。

本发明提供了一种大角度透波超材料，包括多个超材料片层，如图1和图2所示。每个超材料片层1包括基板和阵列排布在基板上的多个形状和尺寸相同的人造微结构，相邻超材料片层的人造微结构形状不同。各个超材料片层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超材料天线罩来使用。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。超材料片层的数量可根据需要进行设置，本发明不做限制。

在本发明一实施例中，大角度透波超材料包括四个超材料片层，如图2所示。人造微结构包括金属贴片和十字形结构；多个超材料片层的基板上依次间隔排布有金属贴片和十字形结构。其中，第一超材料片层1和第三超材料片层3的基板上阵列排布有金属贴片，第二超材料片层2和第四超材料片层4的基板上阵列排布有十字形结构。为了更清楚地描述每一超材料片层，下面分别结合图3-图9进行描述。

超材料片层中的基板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人造微结构。在本发明一实施例中，超材料单元的边长为3.4mm。

在本发明一实施例中，第一超材料片层1的基板上阵列排布的金属贴片与第三超材料片层3的基板上阵列排布的金属贴片尺寸不同；第二超材料片层2的基板上阵列排布的十字形结构与第四超材料片层4的基板上阵列排布的十字形结构尺寸相同。第一超材料片层1包括基板11和阵列排布在基板11上的金属贴片12，如图3所示。金属贴片12排布在每一超材料单元的中心，图中的基板11为了图示方便，仅划分了9个超材料单元，见虚线划分所示，这里的划分仅为示意，不作为对本发明的限制。金属贴片的示意图见图4所示，在本发明一实施例中，金属贴片为正方形金属平贴片，边长为1.4mm。金属贴片排布的基板的面即为图2中所示的A面。

第二超材料片层2包括基板21和阵列排布在基板21上的十字形结构22。十字形结构22排布在每一超材料单元的中心，如图5所示。图中的基板21为了图示方便，仅划分了9个超材料单元，见虚线划分所示，这里的划分仅为示意，不作为对本发明的限制。十字形结构22的示意图见图6所示，在本发明一实施例中，十字形结构22均由两根垂直平分的金属线构成，每一金属线的线宽w为0.2mm，金属线的长度与超材料单元的边长b相等，为3.4mm。十字形结构22所在的基板的面紧贴第一超材料片层1。

第三超材料片层3包括基板31和阵列排布在基板11上的金属贴片32，如图7所示。金属贴片32排布在每一超材料单元的中心，图中的基板31为了图示方便，仅划分了9个超材料单元，见虚线划分所示，这里的划分仅为示意，不作为对本发明的限制。在本发明一实施例中，金属贴片为正方形金属平贴片，如图4所示，金属贴片32边长a为1.6mm。金属贴片32所在的基板的面紧贴第二超材料片层2。金属贴片32与金属贴片12的尺寸不同，金属贴片32的边长大于金属贴片12的边长。金属贴片32所在的基板的面紧贴第二超材料片层3。

第四超材料片层4包括基板41和阵列排布在基板41上的十字形结构42。十字形结构42排布在每一超材料单元的中心，如图5所示。图中的基板41为了图示方便，仅划分了9个超材料单元，见虚线划分所示，这里的划分仅为示意，不作为对本发明的限制。第四超材料片层4与第二超材料片层2相同，基板上排布的十字形结构的形状和尺寸相同。十字形结构42的示意图见图6所示，在本发明一实施例中，十字形结构42均由两根垂直平分的金属线构成，每一金属线的线宽w为0.2mm，金属线的长度与超材料单元的边长b相等，为3.4mm。十字形结构42所在的基板的面紧贴第三超材料片层3。

在本发明又一实施例中，第四超材料片层4的基板的两个相对表面分别阵列排布有十字形结构和金属贴片，其中靠近第三超材料片层3的表面阵列排布十字形结构，远离第三超材料片层3的表面阵列排布金属贴片，且第四超材料片层4的基板上阵列排布的金属贴片与第一超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片尺寸相同。如图9所示，第四超材料片层4包括基板41和阵列排布在基板41的两相对表面的十字形结构42和金属贴片43。基板41的其中一个表面上排布有十字形结构42，另一相对表面排布有金属贴片43。十字形结构42排布在每一超材料单元的中心，如图6所示；金属贴片43排布在每一超材料单元的中心。图中的基板41为了图示方便，仅划分了9个超材料单元，见虚线划分所示，这里的划分仅为示意，不作为对本发明的限制。十字形结构42的示意图见图6所示，在本发明一实施例中，十字形结构42均由两根垂直平分的金属线构成，每一金属线的线宽w为0.2mm，金属线的长度与超材料单元的边长b相等，为3.4mm。十字形结构42所在的基板的面紧贴第三超材料片层3。金属贴片43与金属贴片12的形状和尺寸相同，如图4所示，金属贴片43的边长a为1.4mm。

在本发明另一实施例中，大角度透波超材料包括五个超材料片层（未示出），第一、第三、第五超材料片层的基板上阵列排布有金属贴片，第二、第四超材料片层的基板上阵列排布有十字形结构。第二超材料片层的基板上阵列排布的十字形结构与第四超材料片层的基板上阵列排布的十字形结构尺寸相同；第一超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片与第三超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片尺寸不同，第一超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片与第五超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片尺寸相同。在此实施例中，第一、第三、第五超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片依次为上文所述的金属贴片12、32、43；第二、第四超材料片层的基板上阵列排布的十字形结构依次为上文所述的十字形结构22、42。

在本发明一实施例中，基板选择相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.025的材料。多个超材料片层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。人造微结构通过蚀刻的方式附着在基板上，当然人造微结构也可以采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式附着在基板。人造微结构采用铜线制成，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。附图中示意的天线罩的形状为平板状，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。

本发明的大角度透波超材料的S参数随频率变化的示意图如图10所示，这是通过电路模拟仿真得到的结果。基板选择相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.025的材料，大角度透波超材料共四层超材料片层，其中第四超材料片层4如图9所示示例。由图10可知，本发明的天线罩在较宽的频带内的透波性能都很好，例如15~25GHz，特别是19~22GHz范围内，S21参数的线性值接近于1。

图11示出了本发明的大角度透波超材料在不同入射角度时的S参数随频率变化的实测图。基板选择相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.025的材料，大角度透波超材料天线罩共四层超材料片层，其中第四超材料片层4如图9所示示例。标号6对应入射角0度，标号5对应入射角15度，标号4对应入射角30度，标号3对应入射角45度，标号2对应入射角60度，标号1对应入射角75度。由图11可知，入射角为0度时，S21为-0.69888139dB；入射角为15度时，S21为-0.7141954dB；入射角为30度时，S21为-0.74448955dB；入射角为45度时，S21为-0.81791254dB；入射角为60度时，S21为-1.0147718dB；入射角为75度时，S21为-1.8492208dB。

图12示出了本发明的大角度透波超材料的每一层超材料片层未附加人造微结构的情况下，在不同入射角度时的S参数随频率变化的实测图。标号6对应入射角0度，标号5对应入射角15度，标号4对应入射角30度，标号3对应入射角45度，标号2对应入射角60度，标号1对应入射角75度。由图12可知，入射角为0度时，S21为-1.5168287dB；入射角为15度时，S21为-1.5412104dB；入射角为30度时，S21为-1.6172658dB；入射角为45度时，S21为-1.7745406dB；入射角为60度时，S21为-2.1750689dB；入射角为75度时，S21为-3.7663295dB。本发明提供的大角度透波超材料对电磁波的入射角度不加限制，对较大范围的入射角仍然具有很好的透波性能。

由图11-12可以看出，加入人造微结构后0-75度角入射的S21比纯板材的S21小很多，说明加入人造微结构的板材透波性能提高很多，特别是在大角入射情况下，损耗相对稳定，能保持较高的透波率。并且由于采用了多层匹配结构，使空气与超材料天线罩匹配更好，能够在19-22GHz波段有良好的透波率，垂直入射透波率均在90%以上，大角度入射透波率也有70%-80%，比单纯的板材透波性能高很多。

图13示出了本发明的大角度透波超材料与空气的阻抗匹配示意图，通过CST retrieval程序算得在12-18GHz频段内的阻抗与空气匹配极佳，η平均等于1。可以看出，在19-22GHz时，阻抗η的实部re(η)接近于1，其虚部im(η)接近于0，当频率为21.99GHz时，阻抗η的实部re(η)为0.9271，与空气匹配很好。

本发明还提供一种大角度透波超材料天线罩，用于罩设在天线本体上，包括如上所述的大角度透波超材料。

本发明还提供一种天线***，包括天线本体以及如上所述的大角度透波超材料天线罩，大角度透波超材料天线罩罩设于天线本体上。天线本体包括辐射源、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。天线可以是例如但不限于平板天线。

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。而且本发明的大角度透波超材料及其天线罩和天线***在19-22GHz频带内的透波效率很高，损耗较小。电磁波大角度入射时，仍然具有很好的透波性能。

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 (7)

1.一种大角度透波超材料，其特征在于，包括多个层叠的超材料片层，每一超材料片层包括基板和阵列排布在所述基板上的多个形状和尺寸相同的人造微结构，所述人造微结构包括金属贴片和十字形结构，多个超材料片层的基板上依次间隔排布有金属贴片和十字形结构；相邻超材料片层的人造微结构形状不同；

所述大角度透波超材料包括四个超材料片层，第一超材料片层和第三超材料片层的基板上阵列排布有金属贴片，第二超材料片层和第四超材料片层的基板上阵列排布有十字形结构；第一超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片与第三超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片尺寸不同；

第二超材料片层的基板上阵列排布的十字形结构与第四超材料片层的基板上阵列排布的十字形结构尺寸相同。

2.根据权利要求1所述的大角度透波超材料，其特征在于，第四超材料片层的基板的两个相对表面分别阵列排布有十字形结构和金属贴片，其中靠近第三超材料片层的表面阵列排布十字形结构，远离第三超材料片层的表面阵列排布金属贴片，且第四超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片与第一超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的大角度透波超材料，其特征在于，第一超材料片层和第三超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片为正方形金属贴片。

4.根据权利要求3所述的大角度透波超材料，其特征在于，第一超材料片层的基板上阵列排布的正方形金属贴片的边长为1.4mm；

第三超材料片层的基板上阵列排布的正方形金属贴片的边长为1.6mm。

5.一种大角度透波超材料，其特征在于，包括多个层叠的超材料片层，每一超材料片层包括基板和阵列排布在所述基板上的多个形状和尺寸相同的人造微结构，所述人造微结构包括金属贴片和十字形结构，多个超材料片层的基板上依次间隔排布有金属贴片和十字形结构；相邻超材料片层的人造微结构形状不同；

所述大角度透波超材料包括五个超材料片层，第一、第三、第五超材料片层的基板上阵列排布有金属贴片，第二、第四超材料片层的基板上阵列排布有十字形结构；

第二超材料片层的基板上阵列排布的十字形结构与第四超材料片层的基板上阵列排布的十字形结构尺寸相同；

第一超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片与第三超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片尺寸不同，第一超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片与第五超材料片层的基板上阵列排布的金属贴片尺寸相同。

6.一种大角度透波超材料天线罩，其特征在于，用于罩设在天线本体上，包括如权利要求1～5任一项所述的大角度透波超材料。

7.一种天线***，其特征在于，包括天线本体以及如权利要求6所述的大角度透波超材料天线罩，所述大角度透波超材料罩设于天线本体上。