CN102769198B - 一种人工电磁材料、天线罩及天线*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人工电磁材料、天线罩及天线***，该人工电磁材料包括至少一个非导电材料制成的基板和附在所述基板表面上的金属箔，所述金属箔上镂空有多个相同的十字框形槽，每个所述十字框形槽为封闭曲线且内轮廓围成的形状为十字形，所述十字框形槽以与其内轮廓的十字形的竖线成45度的方向为行、以与其内轮廓的十字形的竖线成-45度的方向为列、且行间距等于列间距的排布方式周期性阵列排布于所述金属箔上。天线罩具有上述人工电磁材料，天线***包括由上述天线罩。由于金属箔上镂空有结构特别的十字框形槽，使附有这种金属箔的天线罩具有良好的频率选择功能，能够满足特定场合例如军事上隐身等特殊需求。

Description

一种人工电磁材料、天线罩及天线***

技术领域

本发明涉及人工电磁材料，更具体地说，涉及一种人工电磁材料、天线罩及天线***。

背景技术

人工电磁材料，英文名称Metamaterial，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。人造微结构是由金属丝或其它导电材料制成的丝线组成的具有一定几何图形的平面或立体结构，例如圆环形、工字形等。

由于人造微结构的存在，使得整个超材料有着不同于基板本身的电磁特性，当人造微结构的形状、尺寸分布不同时，超材料的各局部的电磁特性也响应改变，从而使超材料整体表现出一些特殊的响应特性；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。为了尽量少地影响天线发射的信号，天线罩一般采用透波性能好、损耗角正切值小、机械强度高的材料，如玻璃钢、环氧树脂、高分子聚合物等。

这些材料虽然能基本满足天线罩的需求，但当用户需要对天线罩有特殊的要求，例如对于天线的辐射电磁波，需要一定频段的电磁波能透过天线罩而其他频段的则被反射掉，这种情况下，普通的天线罩就不能满足需求。人们就转而向人工电磁材料来寻求解决方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的天线罩不具有频率选择功能的缺陷，提供一种人工电磁材料及天线***。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种人工电磁材料，包括至少一个非导电材料制成的基板和附在所述基板表面上的金属箔，所述金属箔上镂空有多个相同的十字框形槽，每个所述十字框形槽为封闭曲线且内轮廓围成的形状为十字形，所述十字框形槽以与其内轮廓的十字形的竖线成45度的方向为行、以与其内轮廓的十字形的竖线成-45度的方向为列、且行间距等于列间距的排布方式周期性阵列排布于所述金属箔上。

在本发明所述的人工电磁材料中，所述人工电磁材料包括三个层叠的基板，相邻两基板之间设置有一层所述金属箔。

在本发明所述的人工电磁材料中，所述金属箔为铜箔或银箔。

在本发明所述的人工电磁材料中，所述十字框形槽的槽宽处处相等。

在本发明所述的人工电磁材料中，所述十字框形槽的内轮廓围成的十字形的横线和竖线的线宽相等，线长也相等，且横线和竖线互相垂直平分。

在本发明所述的人工电磁材料中，所述十字框形槽的行间距为⊿y，列间距为⊿x，每个所述十字框形槽的沿十字形的横线的方向的总长度为W_b，沿十字形的竖线的方向的总长度为W_a，各尺寸满足：⊿x=⊿y，W_a＝W_b。

在本发明所述的人工电磁材料中，所述十字框形槽的行间距⊿y和列间距⊿x满足沿十字形的横线的方向的总长度W_a和沿竖线的方向的总长度W_b满足W_a＝W_b=7.3mm，槽宽为0.3mm。

在本发明所述的人工电磁材料中，金属箔的厚度为0.018mm，所述基板的厚度为3.2mm。

在本发明所述的人工电磁材料中，所述人工电磁材料的工作频段为8～12GHz。

本发明还涉及一种天线罩，用于罩设在天线本体上，包括上述人工电磁材料。

本发明还涉及一种天线***，包括天线本体以及上述天线罩，所述天线罩罩设于天线本体上。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：由于金属箔上镂空有结构特别的十字框形槽，使附有这种金属箔的天线罩具有良好的频率选择功能，能够满足特定场合例如军事上隐身等特殊需求。

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是依据本发明的人工电磁材料的剖面结构示意图；

图2是图1中的金属箔的结构示意图；

图3是图2中的十字框形槽的结构示意图；

图4是具有图2所示金属箔的带同频率选择天线罩的频率响应仿真图。

具体实施方式

本发明提供了一种人工电磁材料，包括至少一个非导电材料制成的基板和附着在基板表面上的金属箔。这里的非导电材料有多种选择，例如陶瓷、FR4、F4B（聚四氟乙烯）、HDPE（高密度聚乙烯，High Density Polyethylene）、或ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料等。

如图1所示，本实施例中的人工电磁材料1具有三层依次叠加的基板3，相邻两基板3之间各附着有一层金属箔2。两层金属箔2完全相同，三层基板则选择为上、下两层为相同材料，中间的基板为另一种材料。因为上、下两层基板分别与空气接触，因此选择介电常数比较接近于1的材料。中间层为了增强金属箔的响应，选择介电常数比上、下层高的材料。同样，当基板3超过三层时，最里层和最外层的基板3选用介电常数接近1的材料，中间几层可以根据实际需要而调整。

金属箔2的结构如图2所示，为均匀等厚的金属箔片，可以为铜箔、银箔、金箔等导电性能好的金属材料。金属箔2上镂空有多个相同的十字框形槽4且它们周期性排布。所谓十字框形槽4，是指绕一个“十”字的外边缘一圈开槽所形成的框结构，则十字框形槽4的内轮廓即围成上述十字形，而该槽为具有一定宽度的封闭曲线。图2中阴影所示为十字框形槽4，空白部分表示金属箔实体。

十字框形槽4如图3所示，内轮廓的十字形40包括相互垂直正交的横线和竖线，优选二者的线长和线宽均相等，且二者相互垂直平分。横线所在的方向用S1表示，竖线所在的方向用S2表示。十字框形槽4的槽宽也处处相等，如图3所示，则整个结构绕其中心点O成90度旋转对称结构。

多个十字框形槽4成矩形阵列排布，排布的每行、每列的方向分别为与十字框形槽4的十字形的竖线方向S2成45度、-45度角（逆时针为正）的方向，即如图3所示，以任一十字框形槽4的中心点O为原点，以与竖线成45度角的方向为x轴，以与竖线成-45度角的方向为y轴。如图2所示，已知十字框形槽4的行间距（即同一列上相邻两十字框形槽的中心点O的距离）为⊿y，列间距（同一行上相邻两十字框形槽的中心点O的距离）为⊿x，在XOY轴坐标系内，每个十字框形槽的中心点O的坐标均满足（n⊿x，m⊿y），其中n，m为任意整数。本发明中，行间距和列间距相等，即⊿x=⊿y。

为了获得较好的频率选择效果，应在金属箔2上分布尽可能多的十字框形槽4，同时为了避免相邻十字框形槽4之间相交而不独立，十字框形槽4的尺寸与行间距、列间距之间必须满足一定的条件。结合图2、图3可知，设每个所述十字框形槽4的沿十字形的横线的方向S1的总长度为W_b，沿十字形的竖线的方向S2的总长度为W_a，各尺寸满足：⊿x=⊿y，W_a＝W_b。当W_a≠W_b时，显然将满足其他关系式，均可根据实际情况推算。

下面，将结合具体实施例来说明本发明的天线罩的应用效果。在一实施例中，如图3所示，各参数为W_a＝W_b=7.3mm，槽宽w=0.3mm，十字形的横线、竖线的线宽L=1.5mm，金属箔为铜箔且厚度为0.018mm，基板的厚度为3.2mm，上、下两层基板介电常数ε_r1=1.42、损耗角正切值tanδ=0.01，中间层基板介电常数ε_r2=2.2、损耗角正切值tanδ=0.009。

对具有上述结构特征的人工电磁材料进行仿真，其S参数仿真图如图4所示。由图4可以看到，上述人工电磁材料在9.3GHz时，透波系数S21基本为0、反射系数S11约为-25；在11.2GHz时，人工电磁材料的S21为-0.1dB、S11为-24dB。由图可见，人工电磁材料在8～12GHz的频段范围内实现带通，则此频段范围内的电磁波能够很好的透过，而其他频率的电磁波则会被大量损耗或反射，使得本发明的人工电磁材料具有良好的频率选择功能，能够满足特定场合例如军事上隐身等特殊需求。

需要说明的是，附图中示意的人工电磁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人工电磁材料的形状，比如可以设计成圆球状或者与天线形状匹配的形状（共形的人工电磁材料）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。

本发明还提供一种用于罩设在天线本体上的天线罩，该天线罩即包括具有上述人工电磁材料，用来对天线本体发出和接收的电磁波进行选择性透波。

本发明还提供一种天线***，包括天线本体，以及如上文所述的人工电磁材料，人工电磁材料罩设于天线上。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。天线本体可以是例如但不限于平板天线、网桥天线。

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 (11)

1.一种人工电磁材料，其特征在于，包括至少一个非导电材料制成的基板和附在所述基板表面上的金属箔，所述金属箔上镂空有多个相同的十字框形槽，每个所述十字框形槽为封闭曲线且内轮廓为一个十字形金属箔的外轮廓，所述十字框形槽以与所述十字形金属箔的竖线成45度的方向为行、以与所述十字形金属箔的竖线成-45度的方向为列、且行间距等于列间距的排布方式周期性阵列排布于所述金属箔上。

2.根据权利要求1所述的人工电磁材料，其特征在于，所述人工电磁材料包括三个层叠的基板，相邻两基板之间设置有一层所述金属箔。

3.根据权利要求1所述的人工电磁材料，其特征在于，所述金属箔为铜箔或银箔。

4.根据权利要求1所述的人工电磁材料，其特征在于，所述十字框形槽的槽宽处处相等。

5.根据权利要求4所述的人工电磁材料，其特征在于，所述十字形金属箔的横线和竖线的线宽相等，线长也相等，且横线和竖线互相垂直平分。

6.根据权利要求5所述的人工电磁材料，其特征在于，所述十字框形槽的行间距为⊿y，列间距为⊿x，每个所述十字框形槽的沿十字形的横线的方向的总长度为W_b，沿十字形的竖线的方向的总长度为W_a，各尺寸满足：⊿x＝⊿y，W_a＝W_b。

7.根据权利要求6所述的人工电磁材料，其特征在于，所述十字框形槽的行间距⊿y和列间距⊿x满足沿十字形的横线的方向的总长度W_a和沿竖线的方向的总长度W_b满足W_a＝W_b＝7.3mm，槽宽为0.3mm。

8.根据权利要求7所述的人工电磁材料，其特征在于，金属箔的厚度为0.018mm，所述基板的厚度为3.2mm。

9.根据权利要求8所述的人工电磁材料，其特征在于，所述人工电磁材料的工作频段为8～12GHz。

10.一种天线罩，其特征在于，用于罩设在天线本体上，包括具有权利要求1至9任一项所述的人工电磁材料。

11.一种天线***，其特征在于，包括天线本体以及权利要求10所述的天线罩，所述天线罩罩设于天线本体上。