CN102694255A

CN102694255A - 超材料微波天线罩和天线系统

Info

Publication number: CN102694255A
Application number: CN2012101281677A
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: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: CN102694255B

Abstract

本发明涉及超材料微波天线罩和天线系统。所述超材料微波天线罩罩设于天线上，包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括基板和阵列排布在所述基板的两相对表面的多个人造微结构；基板可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元的两相对表面上分别排布有一个人造微结构，每一人造微结构的尺寸相同；所述人造微结构包括紧贴所述超材料单元边缘的口字形结构以及位于所述超材料单元中心的方形贴片。本发明在基板上附着特定形状的人造微结构，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，加强电磁波的透射，提高了天线的方向性和增益。

Description

超材料微波天线罩和天线系统

技术领域

本发明涉及天线罩，更具体地说，涉及超材料微波天线罩和天线系统。

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，天线系统都会设置有天线罩。天线罩的目的是保护天线系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，使天线系统工作性能比较稳定、可靠。同时减轻天线系统的磨损、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。

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，不能提高天线增益的缺陷，提供一种超材料微波天线罩和天线系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种超材料微波天线罩，所述超材料微波天线罩罩设于天线上，包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括基板和阵列排布在所述基板的两相对表面的多个人造微结构；

所述基板可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元的两相对表面上分别排布有一个人造微结构，每一人造微结构的尺寸相同；所述人造微结构包括紧贴所述超材料单元边缘的口字形结构以及位于所述超材料单元中心的方形贴片。

在本发明所述的超材料微波天线罩中，所述超材料片层还包括覆盖于所述基板的两相对表面的保护层。

在本发明所述的超材料微波天线罩中，所述口字形结构由具有预设线宽的金属丝构成。

在本发明所述的超材料微波天线罩中，所述方形贴片为方形金属贴片。

在本发明所述的超材料微波天线罩中，每一超材料单元的长和宽均为10mm。

在本发明所述的超材料微波天线罩中，所述基板的厚度为4mm，所述人造微结构的厚度为0.018mm。

在本发明所述的超材料微波天线罩中，所述方形贴片的边长为5～6mm。

在本发明所述的超材料微波天线罩中，所述基板由ABS材料制成。

在本发明所述的超材料微波天线罩中，所述方形贴片的边长为5.5mm，所述口字形结构的线宽为0.2mm。

本发明还提供一种天线系统，包括天线，以及如上所述的超材料微波天线罩，所述超材料微波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。而且本发明的天线罩透波效率很高，损耗较小。而且，微波天线加上天线罩后，天线的和辐射能力得到了加强，有效提高了增益，辐射方向性增强。

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超材料微波天线罩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超材料微波天线罩的结构示意图；

图3是依据本发明一实施例的超材料片层的立体示意图；

图4是图3所示的超材料片层的立体透视示意图；

图5是超材料片层上附着的人造微结构排布示意图；

图6是人造微结构的示意图；

图7是超材料微波天线罩的S参数仿真结果示意图；

图8是依据本发明一实施例的天线系统的整体结构示意图。

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，提高电磁波辐射的方向性，提高天线的增益。

本发明提供了一种超材料微波天线罩，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包括基板10和附着在基板10上的阵列排布在基板10的两相对表面的多个人造微结构20。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。例如采用3层基板，两层人造微结构间隔排布在3层基板之间，另两层人造微结构分布排布在3层基板贴合后的两个外表面。本发明对超材料片层的具体数量不做限制，可依据不同的增益需求来调节超材料层数，从而控制天线增益。

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微波天线罩来使用。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1中的基板10可划分为多个超材料单元。如图3-5所示，每一超材料单元上的两相对表面上分别排布有一个人造微结构20。在本发明一实施例中，每一超材料单元的长和宽为b＝10mm。图中所示的超材料单元的划分个数仅为示意，并不作为对本发明的限制。

图3是超材料片层的立体图，基板10的两表面上均规律排布有相同的人造微结构20；图4是图3所示的超材料片层的透视图，可以看出，基板10的两个相对表面均排布一层人造微结构20，每一超材料单元上的两相对表面上分别排布有相同的人造微结构20，排布方式如图5所示。

在本发明一实施例中，为了保护人造微结构不受损坏，超材料片层1还包括两层保护层(未示出)，覆盖于基板10的两相对表面，用于保护基板10的两个相对表面上的人造微结构。保护层的材质可以是与基板10相同或不同的透波性能好的材料，也可以是涂覆层，只要能够保护人造微结构不受损坏即可。

如图6所示，人造微结构20包括紧贴超材料单元边缘的口字形结构21以及位于超材料单元中心的方形贴片22。在本发明一实施例中，每一人造微结构20的尺寸相同。口字形结构21由具有预设线宽的金属丝构成，方形贴片22为方形金属贴片。预设线宽w例如但不限于0.05～0.3mm，方形贴片22的边长a为5～6mm。在本发明一实施例中，预设线宽w为0.2mm，方形贴片22的边长a为5.5mm。

基板10的厚度均为4mm，人造微结构20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。

在本发明一实施例中，基板10由ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)材料制得。人造微结构20通过蚀刻的方式附着在基板10上，当然人造微结构20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10上。基板10和基板30也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、FR4、F4B(聚四氟乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯，High Density Polyethylene)、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。人造微结构20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。

图7示出了超材料微波天线罩的S参数示意图，此实施例中，超材料微波天线罩包括一个超材料片层，每一超材料片层包括一个基板，基板的两个相对表面分布排布有相同的人造微结构，如图4-6所示，口字形结构21的预设线宽w为0.2mm，方形贴片22的边长a为5.5mm，超材料单元边长b为10mm。由图7可知，天线罩在7.1-7.8GHz频率范围内透射系数S21大于-0.12dB，反射系数S11小于-15dB。在7.1GHz时，S21＝-0.11133dB，在7.8181GHz时，S21＝-0.10138dB，天线罩在7.1-7.8GHz频率范围内具有良好的透波效果。

图8是依据本发明一实施例的天线系统的整体结构示意图。超材料微波天线罩801罩设于天线802上，其中这里的天线802以喇叭天线进行示意，并不作为对本发明的限制。超材料微波天线罩801与天线802固定连接形成封闭的腔体。超材料微波天线罩801的具体构成和设计参见上文所述，此处不再赘述。天线802与超材料微波天线罩801之间的固定方式可以使螺母联接，也可以是卡扣连接，本发明对固定方式不做限制。

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。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，实现对电磁波的调制，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制，有效控制电磁波的传播特性，加强电磁波的透射，从而提高天线的方向性和增益。

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

1.一种超材料微波天线罩，其特征在于，所述超材料微波天线罩罩设于天线上，包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括基板和阵列排布在所述基板的两相对表面的多个人造微结构；

2.根据权利要求1所述的超材料微波天线罩，其特征在于，所述超材料片层还包括覆盖于所述基板的两相对表面的保护层。

3.根据权利要求2所述的超材料微波天线罩，其特征在于，所述口字形结构由具有预设线宽的金属丝构成。

4.根据权利要求3所述的超材料微波天线罩，其特征在于，所述方形贴片为方形金属贴片。

5.根据权利要求1所述的超材料微波天线罩，其特征在于，每一超材料单元的长和宽均为10mm。

6.根据权利要求5所述的超材料微波天线罩，其特征在于，所述基板的厚度为4mm，所述人造微结构的厚度为0.018mm。

7.根据权利要求3所述的超材料微波天线罩，其特征在于，所述方形贴片的边长为5～6mm。

8.根据权利要求1所述的超材料微波天线罩，其特征在于，所述基板由ABS材料制成。

9.根据权利要求7所述的超材料微波天线罩，其特征在于，所述方形贴片的边长为5.5mm，所述口字形结构的线宽为0.2mm。

10.一种天线系统，其特征在于，包括天线，以及如权利要求1～9任一项所述的超材料微波天线罩，所述超材料微波天线罩罩设于天线上。