CN102832453B - 低损耗透波材料及其天线罩和天线*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及低损耗透波材料及其天线罩和天线***。低损耗透波材料包括由非金属材料制成的第一基板和第二基板，以及夹设在第一基板和第二基板之间的金属层，所述金属层上镂刻有多个具有三条分叉的三分叉槽结构，所述三分叉槽结构的三条分叉共端点且彼此之间所成夹角为120度。本发明还提供一种天线罩和天线***。本发明的低损耗透波材料及其天线罩和天线***可工作在可工作在X波段，在此波段内的透波效率很高。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。而且，通过调节三分叉槽结构和三分叉金属微结构的尺寸能够改变透波材料、天线罩和天线***的工作频段的带宽。

Description

低损耗透波材料及其天线罩和天线***

技术领域

本发明涉及天线罩，更具体地说，涉及低损耗透波材料及其天线罩和天线***。

背景技术

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，损耗较大，透波性能较差。

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损耗较大、透波性能较差的缺陷，提供低损耗透波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：构造一种低损耗透波材料，包括由非金属材料制成的第一基板和第二基板，以及夹设在第一基板和第二基板之间的金属层，所述金属层上镂刻有多个具有三条分叉的三分叉槽结构，所述三分叉槽结构的三条分叉共端点且彼此之间所成夹角为钝角。

在本发明所述的低损耗透波材料中，所述低损耗透波材料还包括覆盖于所述第一基板外表面的多个阵列排布的第二金属微结构和覆盖于所述第二基板外表面的多个阵列排布的第三金属微结构。

在本发明所述的低损耗透波材料中，所述第二金属微结构为三分叉金属微结构，所述三分叉金属微结构的三条分叉共端点且彼此之间所成夹角为钝角。

在本发明所述的低损耗透波材料中，所述第三金属微结构与第二金属微结构的形状和尺寸相同。

在本发明所述的低损耗透波材料中，所述三分叉金属微结构在第一基板外表面的位置与所述三分叉槽结构在第一基板和第二基板之间的位置相对应。

在本发明所述的低损耗透波材料中，所述三分叉槽结构以其任一分叉的对称轴所在的方向为行、以与所述对称轴成60度的方向为列、且行间距等于列间距的方式周期性排布。

在本发明所述的低损耗透波材料中，所述三分叉金属微结构以其任一分叉的对称轴所在的方向为行、以与所述对称轴成60度的方向为列、且行间距等于列间距的方式周期性排布。

在本发明所述的低损耗透波材料中，所述第一基板和所述第二基板的介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001。

本发明还提供一种天线罩，用于罩设在天线上，包括如上所述的低损耗透波材料。

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金属微结构，得到需要的电磁响应，使得天线罩的透波性能增强，抗干扰能力增加。可以通过调节金属微结构的形状、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。本发明的低损耗透波材料及其天线罩和天线***可工作在X波段，在此波段内的透波效率很高。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。

而且，通过调节三分叉槽结构和三分叉金属微结构的尺寸能够改变透波材料、天线罩和天线***的工作频段的带宽。

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低损耗透波材料的结构示意图；

图2是图1所述低损耗透波材料的俯视图；

图3是图2所示的三分叉槽结构31的周期性排布示意图；

图4是依据本发明另一实施例的低损耗透波材料的结构示意图；

图5是图4所示的第二金属层在第一基板上的排布示意图；

图6是图5所示的第二金属微结构在第一基板外表面的周期性排布示意图；

图7是图4所示的第三金属层在第二基板上的排布示意图；

图8是依据本发明一实施例的低损耗透波材料的S参数仿真示意图。

具体实施方式

本发明提供一种低损耗透波材料，如图1所示，包括由非金属材料制成的第一基板10和第二基板20，以及夹设在第一基板10和第二基板20之间的金属层，金属层上镂刻有多个具有三条分叉的三分叉槽结构31，三分叉槽结构31的三条分叉共端点且彼此之间所成夹角为钝角。可以理解的是，说明书附图中示出的三分叉槽结构31的数目仅为示意，用于说明人造微结构之间的排布情况，不作为对本发明的限制。

制造基板的材料有多种选择，例如陶瓷、FR4、F4B（聚四氟乙烯）、HDPE（高密度聚乙烯，High Density Polyethylene）、ABS（Acrylonitrile ButadieneStyrene）、铁电材料、或者铁磁材料等。第一基板10、第二基板20优选介电常数为2.65，损耗角正切为0.001的材料。

在本发明一实施例中，三分叉槽结构31的三条分叉彼此之间所成夹角为120度，也可以为不相等的钝角，例如分别为100度、120度、140度，110度、120度、130度，等等。三分叉槽结构31的三条分叉的端部可以为弧形，例如半圆弧、椭圆弧等。

三分叉槽结构31排布在基板上，其排布方式有多种，常见的如矩形阵列排布，即以任一方向为行、以垂直于该方向的方向为列，按照一定的行间距和列间距排布即可。

本发明中，三分叉槽结构31自身的结构特点，设计一种新的周期性排布方式。如图2、3所示。三分叉槽结构31以其任一分叉的对称轴所在的方向为行（记作x方向）、以与该对称轴成60度的方向为列（记作y方向）周期性排布、且行间距（同一列上相邻两个三分叉槽结构31的中心点O、O3之间的距离，记作⊿y）等于列间距（同一行上相邻两个三分叉槽结构31的中心点O、O3之间的距离，记作⊿x）。则由图3可知，相邻两行、相邻两列上的四个三分叉槽结构31的中心点O、O1、O2、O3四点的连线构成锐角为60的菱形四边形。采用这种排布方式，可以尽可能充分地利用基板表面的空间来排布三分叉槽结构31。

图4是依据本发明另一实施例的低损耗透波材料的结构示意图。低损耗透波材料包括两层基板：第一基板10和第二基板20，以及三层金属层1、2、3。其中金属层1即为图1所示的金属层。与图1不同的是，除了图1中的第一基板10和第二基板20以及金属层外，还包括第二金属层2和第三金属层3。第二金属层2覆盖于第一基板10外表面，由多个阵列排布的第二金属微结构构成。第三金属层3覆盖于第二基板20外表面，由多个阵列排布的第三金属微结构构成。第二、第三金属微结构为导电材料制成的具有一定几何图案的平面结构。这里的导电材料，可以是金、银、铜等导电性能良好的金属材料，或者主要成分为金、银、铜中的一种或两种的合金材料，也可以是碳纳米管、掺铝氧化锌、铟锡氧化物等可以导电的非金属材料。本发明中，优选铜或银。第一基板10、第二基板20的厚度为0.5~1.5mm。

第二金属微结构在第一基板10外表面的排布及具体形状见图5、6所示。第二金属微结构为三分叉金属微结构32，三分叉金属微结构32的三条分叉共端点且彼此之间所成夹角为120度。在本发明一实施例中，三分叉金属微结构32的三条分叉彼此之间所成夹角为120度，也可以为不相等的钝角，例如分别为100度、120度、140度，110度、120度、130度，等等。三分叉金属微结构32的三条分叉的端部可以为弧形，例如半圆弧、椭圆弧等。

与上文所述的三分叉槽结构31的排布情况类似。三分叉金属微结构32以其任一分叉的对称轴所在的方向为行（记作x方向）、以与该对称轴成60度的方向为列（记作y方向）周期性排布、且行间距（同一列上相邻两个三分叉金属微结构32的中心点O、O3之间的距离，记作⊿y）等于列间距（同一行上相邻两个三分叉金属微结构32的中心点O、O3之间的距离，记作⊿x）。则由图6可知，相邻两行、相邻两列上的四个三分叉金属微结构32的中心点O、O1、O2、O3四点的连线构成锐角为60的菱形四边形。采用这种排布方式，可以尽可能充分地利用基板表面的空间来排布三分叉金属微结构32。

在本发明一优选实施例中，第三金属微结构的形状和尺寸与第二金属微结构的的形状和尺寸相同，也为三分叉金属微结构，具体可参见上文所述。图7给出了图4所示的第三金属层3在第二基板20上的排布示意图。

三分叉金属微结构32在第一基板10外表面的位置与三分叉槽结构31在第一基板10和第二基板20之间的位置相对应。也就是说，俯视图4所示的低损耗透波材料，三层金属层上的三分叉槽结构31、三分叉金属微结构32、三分叉金属微结构33的中心相对应。

根据所需的透波材料或天线罩的工作频段范围，可以适应地调整、三分叉槽结构31、三分叉金属微结构32、33的尺寸大小以及行、列间距，以满足不同的需求。

下面将结合具体实施例来说明本发明的低损耗透波材料的应用效果。在一实施例中，图3中的三分叉槽结构31的各参数值为：行间距和列间距⊿x=⊿y=5mm，槽宽W1为0.7mm，三分叉槽结构31的三条分叉的端部为半圆弧状。图6中的三分叉金属微结构32的各参数值为：行间距和列间距⊿x=⊿y=5mm，槽宽W2为1.8mm，三分叉金属微结构32的三条分叉的端部为半圆弧状。在本发明一实施例中，第一基板10和第二基板20由聚四氟乙烯（F4B）制得。第一金属微结构31和第二、第三金属微结构32、33由铜制成。第一基板10、第二基板20的介电常数εr=2.65，损耗角正切值tanδ=0.001。第一基板10、第二基板20的厚度为1mm，金属微结构32、33的厚度为0.018mm。上述参数仅为一实例，并不作为对本发明的限制。

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。三层金属层1、2、3通过蚀刻的方式附着在基板上，当然也可以采用电镀、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、HIPS（耐冲击性聚苯乙烯，High impact polystyrene）材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。

对具有上述参数的低损耗透波材料进行仿真，其S参数仿真图如图8所示。由图8可以看到，在X波段（8~12GHz）范围内透波效果很好。而在其它频段S21参数小，反射系数大，具有滤波作用。在实际应用时，通过调节三分叉槽结构31、三分叉金属微结构32、三分叉金属微结构33的尺寸，可以改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而工作频段可以向高频或低频移动，或者改变工作频段的带宽。

因此，本发明还提供一种天线罩，该天线罩由上文所述的低损耗透波材料制成，用于罩设于在天线上，对天线起到保护作用的同时，保证天线在工作频段正常工作，屏蔽掉不相关频段，排除干扰。

需要说明的是，天线罩的形状可以为与附图中的低损耗透波材料形状相同的平板状，也可以根据实际需求来设计天线罩的形状，比如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。天线本体可以是例如但不限于平板天线、微波天线、雷达天线等。

本发明的低损耗透波材料及其天线罩和天线***可工作在X波段，在此波段内的透波效率很高。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。而且，通过调节三分叉槽结构和三分叉金属微结构的尺寸能够改变透波材料、天线罩和天线***的工作频段的带宽。

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 (9)

1.一种低损耗透波材料，其特征在于，包括由非金属材料制成的第一基板和第二基板，以及夹设在第一基板和第二基板之间的金属层，所述金属层上镂刻有多个具有三条分叉的三分叉槽结构，所述三分叉槽结构的三条分叉共端点且彼此之间所成夹角为钝角；所述三分叉槽结构以其任一分叉的对称轴所在的方向为行、以与所述对称轴成60度的方向为列、且行间距等于列间距的方式周期性排布；相邻两行、相邻两列上的四个所述三分叉槽结构的中心点四点的连线构成锐角为60的菱形四边形。

2.根据权利要求1所述的低损耗透波材料，其特征在于，所述低损耗透波材料还包括覆盖于所述第一基板外表面的多个阵列排布的第二金属微结构和覆盖于所述第二基板外表面的多个阵列排布的第三金属微结构。

3.根据权利要求2所述的低损耗透波材料，其特征在于，所述第二金属微结构为三分叉金属微结构，所述三分叉金属微结构的三条分叉共端点且彼此之间所成夹角为钝角。

4.根据权利要求3所述的低损耗透波材料，其特征在于，所述第三金属微结构与第二金属微结构的形状和尺寸相同。

5.根据权利要求3所述的低损耗透波材料，其特征在于，所述三分叉金属微结构在第一基板外表面的位置与所述三分叉槽结构在第一基板和第二基板之间的位置相对应。

6.根据权利要求3所述的低损耗透波材料，其特征在于，所述三分叉金属微结构以其任一分叉的对称轴所在的方向为行、以与所述对称轴成60度的方向为列、且行间距等于列间距的方式周期性排布。

7.根据权利要求1所述的低损耗透波材料，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板的介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001。

8.一种天线罩，其特征在于，用于罩设在天线上，包括如权利要求1～7任一项所述的低损耗透波材料。

9.一种天线***，其特征在于，包括天线以及如权利要求8所述的天线罩，所述天线罩罩设于天线上。