CN102723597B - 超材料天线罩及天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超材料天线罩，由多层超材料结构制成，所述多层超材料结构包括第一介质层、两分别覆盖于所述第一介质层的两相对表面的金属层和两分别覆盖于所述两金属层的第二介质层，每一金属层包括多个第一圆形片和第二圆形片，所述多个第一圆形片呈正方形阵列排布，任两个最靠近的第一圆形片之间连接有金属线；每一第二圆形片的圆心为由连接四个最靠近的第一圆形片的四条金属线所形成的正方形区域的中心，且任一金属层的第一圆形片和第二圆形片的圆心分别正对另一金属层的第一圆形片和第二圆形片的圆心，从而使此种多层超材料结构具有高透波特性。本发明还涉及一种具有此种超材料天线罩的天线系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线罩及天线系统，更具体地说，涉及一种由全新设计的超材料结构制成的天线罩及天线系统。
背景技术
在天线系统中，常常需要用天线罩来罩盖天线，以使天线免受外界恶劣环境的影响，这样，天线收发电磁波时电磁波均需穿过天线罩。尽管目前制造天线罩时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、环氧树脂和ABS以及UPVC等高分子聚合物，但还是无法与空气的波阻抗匹配一致，电磁波在空气与天线罩之间传播时不仅会发生反射，而且天线罩对电磁波的损耗亦较大，从而降低了天线的辐射效率和增益，严重影响天线的电磁性能，也即，天线罩的透波性能较差。
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。当前，人们在介质基板上周期性地排列具有一定几何形状的金属微结构来形成超材料。由于可以利用金属微结构的几何形状和尺寸以及排布来改变超材料空间各点的介电常数和/或磁导率，使其产生预期的电磁响应，以控制电磁波的传播，故而，在多个领域具有广泛的应用前景，成为各国科研人员争相研究的热点领域之一。在用超材料作为透波材料来制作天线罩方面，人们已经发现，用其制作的天线罩具有良好的透波性能，对电磁波的损耗也较小。特别是当超材料利用了频率选择表面技术时，由其所制得的天线罩更具有频率选择特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有高透波性能的超材料天线罩及天线系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料天线罩，由多层超材料结构制成，所述多层超材料结构包括第一介质层、两分别覆盖于所述第一介质层的两相对表面的金属层和两分别覆盖于所述两金属层的第二介质层，每一金属层包括多个第一圆形片和第二圆形片，所述多个第一圆形片呈正方形阵列排布，任两个最靠近的第一圆形片之间连接有金属线；每一第二圆形片的圆心为由连接四个最靠近的第一圆形片的四条金属线所形成的正方形区域的中心，且任一金属层的第一圆形片和第二圆形片的圆心分别正对另一金属层的第一圆形片和第二圆形片的圆心。
优选地，所述第一圆形片的直径等于所述第二圆形片的直径。
优选地，每一第一圆形片和第二圆形片的直径均为1.1～1.3mm。
优选地，任两最靠近的第一圆形片的圆心的距离为3.9～4.1mm。
优选地，所述金属线的宽度为0.1～0.3mm。
优选地，所述两金属层均由铜制成。
优选地，所述第一介质层和两第二介质层均是聚四氟乙烯玻璃纤维布层压板，所述层压板的相对介电常数εr为2.65、损耗角正切tanδ为0.001。
优选地，所述第一介质层的厚度为1.9～2.1mm，每一第二介质层的厚度为0.4～0.6mm。
优选地，每一第一圆形片和第二圆形片的直径均为1.2mm，任两最靠近的第一圆形片的圆心的距离为4mm，所述金属线的宽度为0.2mm，所述两金属层的厚度均为0.018mm，所述第一介质层的厚度为2mm，每一第二介质层的厚度为0.5mm。
一种天线系统，包括天线和设置于所述天线接收和/或发射的电磁波的传播方向上的超材料天线罩，所述超材料天线罩由多层超材料结构制成，所述多层超材料结构包括第一介质层、两分别覆盖于所述第一介质层的两相对表面的金属层和两分别覆盖于所述两金属层的第二介质层，每一金属层包括多个第一圆形片和第二圆形片，所述多个第一圆形片呈正方形阵列排布，任两个最靠近的第一圆形片之间连接有金属线；每一第二圆形片的圆心为由连接四个最靠近的第一圆形片的四条金属线所形成的正方形区域的中心，且任一金属层的第一圆形片和第二圆形片的圆心分别正对另一金属层的第一圆形片和第二圆形片的圆心。
本发明超材料天线罩及天线系统具有以下有益效果：所述超材料结构具有由同心的第一圆形片和同心的第二圆形片构成的两金属层，可让一定频段的电磁波高效通过，从而使由此种超材料结构制成的超材料天线罩及天线系统具有高透波特性。
附图说明
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明超材料天线罩的多层超材料结构的示意图；
图2是本发明超材料天线罩的多层超材料结构的一个金属层的平面示意图；
图3是本发明超材料天线罩的多层超材料结构的一个单元结构的平面示意图；
图4是本发明超材料天线罩的多层超材料结构的一个单元结构的反射系数S11和透射系数S21随电磁波的频率变化的响应曲线图；
图5是本发明天线系统的一个结构示意图。
图中各标号对应的名称为：
10超材料结构、12、26第一介质层、14、27金属层、142第一圆形片、144第二圆形片、146金属线、16、28第二介质层、18单元结构、20天线系统、22天线、24超材料天线罩
具体实施方式
如图1所示，本发明超材料天线罩是一多层超材料结构10，其包括第一介质层12、两分别覆盖于所述第一介质层12的两相对表面的金属层14和两分别覆盖于所述两金属层14的第二介质层16。
所述第一介质层12和第二介质层16均由聚合物材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等制成，且所述第一介质层12的厚度大于每一第二介质层16的厚度，而所述两第二介质层16的厚度相等。本实施方式中，所述第一介质层12的厚度为1.9～2.1mm，每一第二介质层16的厚度为0.4～0.6mm。
如图2所示，每一金属层14可由如铜、银等任何金属导电材料制成，其包括多个第一圆形片142和第二圆形片144，如图中阴影部分。所述多个第一圆形片142呈正方形阵列排布，且任两个最靠近的第一圆形片142之间连接有金属线146，而每一第二圆形片144的圆心为由连接四个最靠近的第一圆形片142的四条金属线146所形成的正方形区域的中心。任一金属层14的第一圆形片142和第二圆形片144的圆心分别正对另一金属层14的第一圆形片142和第二圆形片144的圆心。所述第一圆形片142的直径等于所述第二圆形片144的直径，且每一第一圆形片142和第二圆形片144的直径均为1.1～1.3mm，任两最靠近的第一圆形片142或第二圆形片144的圆心的距离均为3.9～4.1mm，所述金属线146的宽度D为0.1～0.3mm。
在所述多层超材料结构10中，若我们将所述一个第二圆形片144及其周围四个第一圆形片142的分别以每一第一圆形片142的圆心为中心四等分而形成的四分之一第一圆形片142所在方形区域称为一个单元结构18，如图3所示，则所述多层超材料结构10便可看作是由多个所述单元结构18阵列而成。
实际制作时，我们可选取一双面均覆有金属箔的PCB层压板作为所述第一介质层12，在其两侧的金属箔上通过蚀刻分别形成所述多个第一圆形片142和第二圆形片144，从而在所述第一介质层12的两侧形成两层金属层14，使其中一金属层14的第一圆形片142和第二圆形片144的圆心分别正对另一金属层14的第一圆形片142和第二圆形片144的圆心。再获取两块无金属箔的PCB层压板作为所述两第二介质层16，并将所述两第二介质层16分别覆盖于所述介质层12两侧的金属层14上，即可制得所述多层超材料结构10。另外，所述第一介质层12两侧的金属层14的第一圆形片142和第二圆形片144也可采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式形成。
为了验证所述多层超材料结构10的响应特性，以下我们以一个单元结构18为例来进行仿真测试。在所述单元结构18中，其长度和宽度均等于4mm，也即，任两最靠近的第一圆形片142或第二圆形片144的圆心的距离为4mm。所述第一介质层12和两第二介质层16均是聚四氟乙烯玻璃纤维布层压板(简称F4B板)，其相对介电常数εr为2.65、损耗角正切tanδ为0.001，且所述第一介质层12的厚度为2mm，而每一第二介质层16的厚度为0.5mm。每一金属层14由铜制成，厚度为0.018mm，也即，每一第一圆形片142、第二圆形片144和金属线146的厚度均为0.018mm；每一第一圆形片142和第二圆形片144的直径均为1.2mm，每一金属线146的宽度D为0.2mm(由于每一金属线146分属于两个相邻的单元结构18，故在一个单元结构18上的部分的宽度仅为0.1mm)。仿真获得，所述单元结构18的反射系数S11和透射系数S21随电磁波的频率变化的响应曲线图分别如图4所示。从图可知，由于所述多层超材料结构10具有同心的第一圆形片142和同心的第一圆形片144，在19～26GHz频段内出现了电磁波的透射高而反射小的通带，其他部分则透射低而反射大，形成阻带，也即，本发明超材料天线罩在所述通带内对电磁波的损耗小，具有高透波的特性。
此外，尽管图中所示的多层超材料结构10呈平板状，但是为了美观和根据具体情况需做成与天线共形的形状，我们可通过热压平板状多层超材料结构10或者将多块平板型多层超材料结构10拼接在一起而使其呈弯曲、球形等各种形状。当然也可使用软性的PCB层压板来制造可呈任意形状的多层超材料结构10。
请参考图5，为本发明天线系统20的结构示意图。所述天线系统20包括天线22和用于保护所述天线22的超材料天线罩24。所述天线22可以是贴片天线、缝隙天线、微带天线等任意类型的天线，也可以是由上述天线组成的天线阵，其馈电方式可以是同轴线、缝隙耦合、微带线等，图中所示仅为一个电磁波的发射源。所述超材料天线罩24位于所述天线22接收和/或发射的电磁波的传播方向上。所述超材料天线罩24由所述多层超材料结构10制成，也即，其包括第一介质层26、两分别覆盖于所述第一介质层26的两相对表面的金属层27和两分别覆盖于所述两金属层27的第二介质层28，其他同以上对所述多层超材料结构10的相关描述。且根据实际需要，所述超材料天线罩24可包括若干通过机械连接、焊接或粘合的方式叠加在一起的多层超材料结构10。此外，为了保护所述两第二介质层28，可在其上涂覆防酸、防腐、耐磨损等的保护层。
以上所述仅是本发明的若干具体实施方式和/或实施例，不应当构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以做出若干改进和润饰，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超材料天线罩，由多层超材料结构制成，所述多层超材料结构包括第一介质层、两分别覆盖于所述第一介质层的两相对表面的金属层和两分别覆盖于所述两金属层的第二介质层，每一金属层包括多个第一圆形片和第二圆形片，每个金属层中的各第一圆形片大小相同，且呈正方形阵列排布，任两个最靠近的第一圆形片之间连接有金属线；每一第二圆形片的圆心为由连接四个最靠近的第一圆形片的四条金属线所形成的正方形区域的中心，且各第二圆形片大小相同；所述一个第二圆形片及其周围四个第一圆形片的分别以每一第一圆形片的圆心为中心四等分而形成的四分之一第一圆形片所在方形区域为一个单元结构，多个所述单元结构周期排列；任一金属层的第一圆形片和第二圆形片的圆心分别正对另一金属层的第一圆形片和第二圆形片的圆心。
2.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述第一圆形片的直径等于所述第二圆形片的直径。
3.根据权利要求2所述的超材料天线罩，其特征在于，每一第一圆形片和第二圆形片的直径均为1.1～1.3mm。
4.根据权利要求2所述的超材料天线罩，其特征在于，任两最靠近的第一圆形片的圆心的距离为3.9～4.1mm。
5.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述金属线的宽度为0.1～0.3mm。
6.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述两金属层均由铜制成。
7.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述第一介质层和两第二介质层均是聚四氟乙烯玻璃纤维布层压板，所述层压板的相对介电常数εr为2.65、损耗角正切tanδ为0.001。
8.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述第一介质层的厚度为1.9～2.1mm，每一第二介质层的厚度为0.4～0.6mm。
9.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，每一第一圆形片和第二圆形片的直径均为1.2mm，任两最靠近的第一圆形片的圆心的距离为4mm，所述金属线的宽度为0.2mm，所述两金属层的厚度均为0.018mm，所述第一介质层的厚度为2mm，每一第二介质层的厚度为0.5mm。
10.一种天线系统，包括天线，其特征在于，所述天线系统还包括设置于所述天线接收和/或发射的电磁波的传播方向上的超材料天线罩，所述超材料天线罩是权利要求1-9中任意一项所述的超材料天线罩。
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