CN103296403B - 超材料天线罩及天线*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超材料天线罩，其包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一基板以及周期排布于所述第一基板上的多个尺寸相同的人造微结构；所述人造微结构包括过中点垂直相交的两条第一金属分支，每条所述第一金属分支两端均设置有第一矩形金属，所述第一金属分支端点垂直设置于与其相接的所述第一矩形金属的一条长边中点，第二金属分支一端垂直设置于所述第一矩形金属的另一条长边中点，所述第二金属分支另一端垂直设置于第二矩形金属的长边中点。本发明的天线罩的工作频带在14.3‑26.3GHz之间，且在此频带内的透波效率很高，损耗较小。在此频带以外具有带阻特性，可实现选择性滤波。

Description

超材料天线罩及天线***
技术领域
本发明涉及天线罩技术领域，尤其涉及一种超材料天线罩及天线***。
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，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选择性透波功能。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
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的天线罩透波性能较差、工作频段较窄，不具备选择性透波的缺陷，提供一种超材料天线罩及天线***。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种超材料天线罩，其包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一基板以及周期排布于所述第一基板上的多个尺寸相同的人造微结构；所述人造微结构包括过中点垂直相交的两条第一金属分支，每条所述第一金属分支两端均设置有第一矩形金属，所述第一金属分支端点垂直设置于与其相接的所述第一矩形金属的一条长边中点，第二金属分支一端垂直设置于所述第一矩形金属的另一条长边中点，所述第二金属分支另一端垂直设置于第二矩形金属的长边中点。
进一步地，所述第一基板划分为多个超材料单元，每一超材料单元上排布有一个所述人造微结构。
进一步地，所述每一超材料单元的长和宽均为5至6毫米，所述人造微结构于所述超材料单元的边界之间的距离为0.1至0.2毫米。
进一步地，所述第一矩形金属和所述第二矩形金属的长宽相同。
进一步地，所述第一矩形金属和所述第二矩形金属的长为0.8至1.0毫米，宽为0.3毫米。
进一步地，所述第二金属分支长度为0.1至0.2毫米。
进一步地，所述第一金属分支、所述第二金属分支、所述第一矩形金属和所述第二矩形金属的线宽为0.1毫米，厚度为0.018毫米。
进一步地，所述每一超材料片层还包括覆盖于所述多个人造微结构上的第二基板。
进一步地，所述第一基板和所述第二基板材质相同，所述第一基板和所述第二基板由ABS、FR-4或F4B材料制成。
本发明还提供一种天线***，其包括天线本体以及上述超材料天线罩，所述超材料天线罩与天线本体间隔预设距离。。
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。而且本发明的天线罩的工作频带在14.3-26.3GHz之间，且在此频带内的透波效率很高，损耗较小。在此频带以外具有带阻特性，可实现选择性滤波。
附图说明
图1为构成超材料的基本单元的结构示意图；
图2为依据本发明一实施例的超材料天线罩的一个超材料片层的结构示意图；
图3为由多个图2所示的超材料片层堆叠形成超材料天线罩的结构示意图；
图4为人造微结构示意图；
图5为本发明超材料天线罩的阻抗匹配仿真示意图；
图6为本发明超材料天线罩S参数分贝值的仿真结果示意图；
图7为图6所示仿真结果示意图中13-36GHZ区间内的放大图。
具体实施方式
光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波、透射电磁波、吸收电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。
如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构2以及该人造微结构附着的第一基板1。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。本发明中，人造微结构2上还覆盖有第二基板3，第二基板3、人造微结构2以及第一基板1构成超材料的基本单元。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波波长的五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。
本发明利用上述超材料原理设计超材料天线罩，其通过设计人造微结构的拓扑图案和/或人造微结构拓扑图案的尺寸，一方面使得天线罩整体的阻抗与空气匹配而使得天线的损耗减小，另一方面也使得天线罩在较宽频段内具有良好的透射性能，对其他频段电磁波具有滤波性能。
如图2和图3所示，本发明超材料天线罩至少包括一个超材料片层10，每个超材料片层10包括相对设置的基板100以及周期排布于两基板之间的的人造微结构200。当天线罩由多个超材料片层10构成时，各个超材料片层10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3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。周期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10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。
如图4所示，图4为本发明超材料单元的平面示意图。每一超材料单元的长和宽均为5至6mm，人造微结构200与超材料单元的边界之间的距离L1为0.1至0.2毫米。每一人造微结构200包括过中点垂直相交的两条第一金属分支201，每条第一金属分支201两端均设置有第一矩形金属202，第一金属分支201的端点垂直设置于与其相接的第一矩形金属202的一条长边中点，第二金属分支203一端垂直设置于第一矩形金属202的另一条长边中点，第二金属分支203另一端垂直设置于第二矩形金属204的长边中点。第一矩形金属202与第二矩形金属204的长、宽均相等。
优选地，第一矩形金属202与第二矩形金属204的长LL为0.8至1.0毫米，宽LW为0.3毫米，第二金属分支203的长度L2为0.1至0.2毫米。第一金属分支、第二金属分支、第一矩形金属以及第二矩形金属的线宽均为0.1毫米，厚度均为0.018毫米。上述的数值仅为示例，在实际应用中，当确定了人造微结构的拓扑图案后，可根据实际的应用频率范围、应用场景来调整各金属分支和各矩形金属的数值范围。
在本发明一实施例中，基板100可采用F4B、FR4复合材料或ABS树脂制得。相对的两块基板100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200通过蚀刻的方式附着在两块基板100相互接触的表面的任一表面上，当然人造微结构200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两块基板100相互接触的表面的任一表面上。基板100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200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，本发明对此不作限制。
对本发明超材料天线罩进行测试，测试其阻抗匹配特性、透射特性和反射特性。如图5所示，图5为本发明超材料天线罩的阻抗匹配仿真示意图。从图5可以看出在15GHZ至35GHZ区段，超材料天线罩的阻抗值接近于1，即基本上与空气达到阻抗匹配的效果。
请参照图6、图7，图6为本发明超材料天线罩S参数分贝值的仿真结果示意图，图7为图6所示仿真结果示意图的13-36GHZ区间内的放大图。从图6可以看出，在8.8GHZ左右处，其反射系数S11最大，透射系数S21最小，可达到滤除8.8GHZ电磁波的效果。而从图7的放大图可以看出，在14.3GHZ至26.3GHZ区段，本发明超材料天线罩的透射系数S21均能达到大于-0.1dB，具有很好的透波性能，且透波带宽达到12GHZ以上，具有很好的宽频透波效果。本发明可通过改变人造微结构的尺寸来调节透波和滤波频带及其带宽，从而适用不同的应用场合。
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。而且本发明的天线罩的工作频带在14.3-26.3GHz之间，且在此频带内的透波效率很高，损耗较小。在此频带以外具有带阻特性，可实现选择性滤波。
本发明还提供一种天线***，包括天线本体以及上述超材料天线罩，所述超材料天线罩与天线本体间隔预设距离。优选地，所述超材料天线罩与所述天线本体之间距离为天线本体响应电磁波波长的四分之一。
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 (10)

1.一种超材料天线罩，其特征在于：包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一基板以及周期排布于所述第一基板上的多个尺寸相同的人造微结构；所述人造微结构包括过中点垂直相交的两条第一金属分支，每条所述第一金属分支两端均设置有第一矩形金属，所述第一金属分支端点垂直设置于与其相接的所述第一矩形金属的一条长边中点，第二金属分支一端垂直设置于所述第一矩形金属的另一条长边中点，所述第二金属分支另一端垂直设置于第二矩形金属的长边中点。
2.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：所述第一基板划分为多个超材料单元，每一超材料单元上排布有一个所述人造微结构。
3.如权利要求2所述的超材料天线罩，其特征在于：所述每一超材料单元的长和宽均为5至6毫米，所述人造微结构与所述超材料单元的边界之间的距离为0.1至0.2毫米。
4.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：所述第一矩形金属和所述第二矩形金属的长宽相同。
5.如权利要求4所述的超材料天线罩，其特征在于：所述第一矩形金属和所述第二矩形金属的长为0.8至1.0毫米，宽为0.3毫米。
6.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：所述第二金属分支长度为0.1至0.2毫米。
7.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：所述第一金属分支、所述第二金属分支、所述第一矩形金属和所述第二矩形金属的线宽为0.1毫米，厚度为0.018毫米。
8.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：所述每一超材料片层还包括覆盖于所述多个人造微结构上的第二基板。
9.如权利要求8所述的超材料天线罩，其特征在于：所述第一基板和所述第二基板材质相同，所述第一基板和所述第二基板由ABS、FR‐4或F4B材料制成。
10.一种天线***，其特征在于：包括天线本体以及如权利要求1至9任一项所述的超材料天线罩，所述超材料天线罩与天线本体间隔预设距离。
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