CN102790268B - 一种天线防护罩 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种天线防护罩，其包括基层、对称附着于该基层相对两侧表面的第一阻抗匹配层和第二阻抗匹配层，该第一阻抗匹配层和该第二阻抗匹配层的设置使得天线防护罩整体的阻抗由自由空间的阻抗逐渐变化到基层阻抗在逐渐变化到自由空间阻抗。本发明可使得天线防护罩内部的天线在接收和发射电磁波时，该电磁波经过该天线防护罩时不发生发射，提高信号质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线防护罩，尤其涉及一种利用超材料技术制成的具有阻抗匹配功能的天线防护罩。
背景技术
移动通信时现代信息传输和交流的重要系统之一，随着业务量不断增加、城市的不断发展，移动通信网络覆盖在不断扩大和完善；随着社会的进步和发展，移动通信越来越面向大众。
基站天线是移动通信天馈系统的重要组成部分，它如同整个移动通信系统的触角，在通信过程中起着举足轻重的作用。由于基站天线的重要作用使得基站天线必须在各种恶劣环境例如：强风、强雨、高温下仍然需要正常工作。通常情况下，为了保护基站天线，需要在基站天线外面增设天线防护罩。但是随着天线防护罩的加入，从天线向自由空间发射的电磁波或者从自由空间向天线发射的电磁波均会被防护罩反射一部分，使信号质量被减弱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足提出一种具有阻抗匹配功能、增强电磁波透过性的天线防护罩。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种天线防护罩，其包括基层、对称附着于该基层相对两侧表面的第一阻抗匹配层和第二阻抗匹配层，该第一阻抗匹配层包括第一首位超材料片层和第一末位超材料片层以及堆叠于该第一首位超材料片层和该第一末位超材料片层之间的多个第一中间超材料片层，该该第二阻抗匹配层包括第二首位超材料片层和第二末位超材料片层以及堆叠于该第二首位超材料片层和该第二末位超材料片层之间的多个第二中间超材料片层；该第一阻抗匹配层和该第二阻抗匹配层的阻抗均由自由空间的阻抗逐渐变化到该基层的阻抗，且该第一首位超材料片层和该第二首位超材料片层的阻抗等于自由空间阻抗，该第一末位超材料片层和该第二末位超材料片层的阻抗等于该基层的阻抗，该第一末位超材料片层和该第二末位超材料片层附着于该基层相对两侧表面。
该第一阻抗匹配层和该第二阻抗匹配层的每个超材料片层均包括基材和附着于该基材上的多个相同的人造金属微结构，各个超材料片层上附着的人造金属微结构均具有相同的几何形状且尺寸逐渐变化；该第一末位超材料片层和该第二末位超材料片层的人造金属微结构尺寸最大，该第一首位超材料片层和该第二首位超材料片层的人造金属微结构尺寸最小。
该人造金属微结构包括第一金属分支和分别连接在第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支。
该人造金属微结构还包括分别连接在该第二金属分支两端且垂直于该第二金属分支的第三金属分支、分别连接在该第三金属分支两端且垂直于该第三金属分支的第四金属分支，依此类推。
该第二金属分支的长度小于该第一金属分支，该第三金属分支的长度小于该第二金属分支，该第四金属分支的长度小于该第三金属分支，依此类推。
每个该人造金属微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支、分别连接在每个该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支、分别连接在每个该第二金属分支两端且垂直于该第二金属分支的第三金属分支，依此类推。
每个该人造金属微结构包括在三维空间内两两垂直且共一交点的三个第一金属分支、分别连接在每个该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支、分别连接在每个该第二金属分支两端且垂直于该第二金属分支的第三金属分支，依此类推。
该人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于该基材上。
该基材为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。
本发明天线防护罩在基层两侧设置有超材料片层堆叠而成的阻抗匹配层使得天线防护罩具有很好的电磁透过性，天线防护罩内部的天线在接收和发射电磁波时，电磁波通过该天线防护罩不再发生反射，提高了信号的质量。
附图说明
图1为本发明一种天线防护罩剖视图；
图2为本发明一种天线防护罩阻抗与天线厚度的d-Z关系图；
图3为本发明一种天线防护罩一部分的结构示意图，其中第一阻抗匹配层和第二阻抗匹配层被分层剖视；
图4为本发明一种天线防护罩超材料片层的人造金属微结构的第一较佳拓扑图案；
图5为图4所示人造金属微结构第一较佳拓扑图案的衍生拓扑图案；
图6为图5所示人造金属微结构衍生拓扑图案的进一步衍生拓扑图案；
图7为本发明一种天线防护罩超材料片层的人造金属微结构的第二较佳拓扑图案；
图8为图7所示人造金属微结构第二较佳拓扑图案的衍生拓扑图案；
图9为图8所示人造金属微结构衍生拓扑图案的进一步衍生拓扑图案；
图10为本发明一种天线防护罩超材料片层内部附着有三维拓扑图案的人造金属微结构的立体示意图。
具体实施方式
请参照图1，图1为本发明天线防护罩的剖视图。天线1000设置于天线防护罩内部用以接收或发射电磁波。天线防护罩的形状并不以图中所示形状为限，可根据实际需要构成正方体、长方体、椭圆形等各种形状。本发明天线防护罩包括基层10，对称设置于基层10两侧表面的第一阻抗匹配层20和第二阻抗匹配层30。第一阻抗匹配层10和第二阻抗匹配层30在各自靠近自由空间一侧的阻抗等于自由空间阻抗，各自靠近基层10一侧的阻抗等于基层10的阻抗，从自由空间阻抗到基层10的阻抗呈线性逐渐变化。阻抗变化趋势如图2所示。图2中，d0即为第一阻抗匹配层厚度，d1-d0为基层厚度，d2-d1为第二阻抗匹配层厚度，Z0为自由空间阻抗值，Zn为基层阻抗值。
下面请参照图3，图3为本发明天线防护罩一部分的结构示意图。整个天线防护罩可看成由多个该部分组成所需的形状。其中，第一阻抗匹配层20和第二阻抗匹配层30被分层剖视以便更清楚地表示第一阻抗匹配层20和第二阻抗匹配层30的内部结构。第一阻抗匹配层20和第二阻抗匹配层30均由多个超材料片层叠加而成，图中超材料片层层数仅为示意性的，并非用以限定本发明的超材料片层层数。其中第一阻抗匹配层20和第二阻抗匹配层30各自靠近自由空间一侧的超材料片层为第一首位超材料片层201和第二首位超材料片层301，各自靠近基层10的超材料片层为第一末位超材料片层202和第二末位超材料片层302。第一首位超材料片层201和第二首位超材料片层301、第一末位超材料片层202和第二末位超材料片层302、堆叠于第一首位超材料片层201和第一末位超材料片层202之间的多个第一中间超材料片层与堆叠于第二首位超材料片层301和第二末位超材料片层302之间的多个第二中间超材料片层均以基层10对称面对称设置。
每个超材料片层均包括基材以及附着于基材上的多个人造金属微结构。各个人造金属微结构在基材上的排布间隔应为入射电磁波波长的1/5至1/10以便对入射电磁波产生连续的电磁响应。本发明中，各个超材料片层上的人造金属微结构几何形状均相同，单一超材料片层的人造金属微结构几何形状和尺寸均相同，不同超材料片层的人造金属微结构尺寸不同，且第一首位超材料片层201和第二首位超材料片层301的人造金属微结构尺寸最大，第一末位超材料片层202和第二末位超材料片层302的人造金属微结构尺寸最小，中间各层的人造金属微结构的尺寸由最小向最大逐渐变化。
在基材上附着人造金属微结构可通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等多种方法。其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造金属微结构的拓扑图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基材上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造金属微结构预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造金属微结构。上述金属箔片的材质可以是铜、银等金属。基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料制得。
在确定本发明天线防护罩内天线的发射和接受频段后，需要根据该频段设计和调整各超材料片层的人造金属微结构的图案和尺寸以便使得阻抗满足图2所示的阻抗变化要求。请参照图4，图4为本发明的超材料片层人造金属微结构的第一较佳拓扑图案。其包括竖直的第一金属分支101和分别连接在第一金属分支101两端且垂直于第一金属分支101的第二金属分支102。当电磁波通过该人造金属微结构时第二金属分支两端分别聚集正负电荷形成等效电容，人造金属微结构本身等效为等效电感，根据阻抗公式Z＝R+jωL+1/jωC，其中Z为阻抗、R为等效电阻、L为等效电感、C为等效电容，可知，调整第二金属分支的面积和间隔可调整等效电容，调整人造金属微结构整体的大小可调整等效电感，进而可调整超材料片层整体的阻抗。当人造金属微结构尺寸越大时，其阻抗相应的越大。
图5所示拓扑图案是图4所示人造金属微结构第一较佳拓扑图案的衍生，其不仅包括构成“工”字形的第一金属分支101和第二金属分支102，还包括分别连接在第二金属分支102两端且垂直于第二金属分支102的第三金属分支103；
图6所示拓扑图案则是图5所示拓扑图案的进一步衍生，其图5的基础上还包括分别连接在第三金属分支103两端且垂直于第三金属分支103的第四金属分支104。依此类推，本发明的对电场响应的人造金属微结构图案还有无穷多个。第二金属分支102的长度小于第一金属分支101，第三金属分支103的长度小于第二金属分支102，第四金属分支104的长度小于第三金属分支103，依此类推。
其中，每个第一金属分支101只与第二金属分支102相连接，不与其他任何金属分支相交；任意第N金属分支只与第(N-1)金属分支和第(N+1)金属分支相交连接，不予其他任何金属分支相交，这里N大于等于2。
图7为本发明的超材料片层人造金属微结构的第二较佳拓扑图案，其包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支201、分别连接在每个第一金属分支201两端且垂直于第一金属分支201的第二金属分支202。
图8和图9是图7所示的人造金属微结构第二较佳拓扑图案的衍生。图8所示的金属分支除具有图7所示的第一金属分支201和第二金属分支202外，还包括分别连接在每个第二金属分支202两端且垂直于第二金属分支202的第三金属分支203。图9所示的金属分支除具有图8所示的第一金属分支201、第二金属分支202以及第三金属分支203外，还包括分别连接在每个第三金属分支203两端且垂直于第三金属分支203的第四金属分支204。本发明人造金属微结构第二较佳拓扑图案还可包括分别连接在每个第四金属分支204两端且垂直于第四金属分支204的第五金属分支，依此类推。
上述图5、图6、图7、图8、图9均可视为图4所示“工”字形人造金属微结构拓扑图案的衍生，设计该些衍生图案可达到下列有益效果：(1)由于人造金属微结构需对电磁波产生响应，因此人造金属微结构的金属分支需在电磁波的电场和磁场方向有投影，衍生图案的金属分支越多其能响应的电磁波方向就越多；(2)愈多的衍生金属分支其对应的可调节人造金属微结构电磁参数的参量就愈多，在大规模计算技术的支持下，越容易达到本发明目的。
本发明还提出一种三维人造金属微结构，该三维人造金属微结构周期排列于基材内部，如图10所示，其集合了上述图4至图9的衍生图案，同时具有图5至图9的有益效果并能对三维空间各方向的电磁波均能产生电磁响应。该人造金属微结构包括在三维空间共交点两两垂直的三个第一金属分支301、分别连接在每个第一金属分支301两端且垂直于第一金属分支301的第二金属分支302。在大规模计算技术的支持下，金属分支的衍生可是无穷的，在此不再赘述。
以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种天线防护罩，其特征在于：包括基层、对称附着于该基层相对两侧表面的第一阻抗匹配层和第二阻抗匹配层，该第一阻抗匹配层包括第一首位超材料片层和第一末位超材料片层以及堆叠于该第一首位超材料片层和该第一末位超材料片层之间的多个第一中间超材料片层，该第二阻抗匹配层包括第二首位超材料片层和第二末位超材料片层以及堆叠于该第二首位超材料片层和该第二末位超材料片层之间的多个第二中间超材料片层；该第一阻抗匹配层和该第二阻抗匹配层的阻抗均由自由空间的阻抗逐渐变化到该基层的阻抗，且该第一首位超材料片层和该第二首位超材料片层的阻抗等于自由空间阻抗，该第一末位超材料片层和该第二末位超材料片层的阻抗等于该基层的阻抗，该第一末位超材料片层和该第二末位超材料片层附着于该基层相对两侧表面；该第一阻抗匹配层和该第二阻抗匹配层的每个超材料片层均包括基材和附着于该基材上的多个相同的人造金属微结构，各个超材料片层上附着的人造金属微结构均具有相同的几何形状且尺寸逐渐变化，该人造金属微结构包括第一金属分支和分别连接在第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支；该第一末位超材料片层和该第二末位超材料片层的人造金属微结构尺寸最大，该第一首位超材料片层和该第二首位超材料片层的人造金属微结构尺寸最小。
2.如权利要求1所述的天线防护罩，其特征在于：该人造金属微结构还包括分别连接在该第二金属分支两端且垂直于该第二金属分支的第三金属分支、分别连接在该第三金属分支两端且垂直于该第三金属分支的第四金属分支，依此类推。
3.如权利要求2所述的天线防护罩，其特征在于：该第二金属分支的长度小于该第一金属分支，该第三金属分支的长度小于该第二金属分支，该第四金属分支的长度小于该第三金属分支，依此类推。
4.如权利要求1所述的天线防护罩，其特征在于：该人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于该基材上。
5.如权利要求1所述的天线防护罩，其特征在于：该基材为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。
6.一种天线防护罩，其特征在于：包括基层、对称附着于该基层相对两侧表面的第一阻抗匹配层和第二阻抗匹配层，该第一阻抗匹配层包括第一首位超材料片层和第一末位超材料片层以及堆叠于该第一首位超材料片层和该第一末位超材料片层之间的多个第一中间超材料片层，该第二阻抗匹配层包括第二首位超材料片层和第二末位超材料片层以及堆叠于该第二首位超材料片层和该第二末位超材料片层之间的多个第二中间超材料片层；该第一阻抗匹配层和该第二阻抗匹配层的阻抗均由自由空间的阻抗逐渐变化到该基层的阻抗，且该第一首位超材料片层和该第二首位超材料片层的阻抗等于自由空间阻抗，该第一末位超材料片层和该第二末位超材料片层的阻抗等于该基层的阻抗，该第一末位超材料片层和该第二末位超材料片层附着于该基层相对两侧表面；该第一阻抗匹配层和该第二阻抗匹配层的每个超材料片层均包括基材和附着于该基材上的多个相同的人造金属微结构，各个超材料片层上附着的人造金属微结构均具有相同的几何形状且尺寸逐渐变化，每个该人造金属微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支、分别连接在每个该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支、分别连接在每个该第二金属分支两端且垂直于该第二金属分支的第三金属分支，依此类推；该第一末位超材料片层和该第二末位超材料片层的人造金属微结构尺寸最大，该第一首位超材料片层和该第二首位超材料片层的人造金属微结构尺寸最小。
7.一种天线防护罩，其特征在于：包括基层、对称附着于该基层相对两侧表面的第一阻抗匹配层和第二阻抗匹配层，该第一阻抗匹配层包括第一首位超材料片层和第一末位超材料片层以及堆叠于该第一首位超材料片层和该第一末位超材料片层之间的多个第一中间超材料片层，该第二阻抗匹配层包括第二首位超材料片层和第二末位超材料片层以及堆叠于该第二首位超材料片层和该第二末位超材料片层之间的多个第二中间超材料片层；该第一阻抗匹配层和该第二阻抗匹配层的阻抗均由自由空间的阻抗逐渐变化到该基层的阻抗，且该第一首位超材料片层和该第二首位超材料片层的阻抗等于自由空间阻抗，该第一末位超材料片层和该第二末位超材料片层的阻抗等于该基层的阻抗，该第一末位超材料片层和该第二末位超材料片层附着于该基层相对两侧表面；该第一阻抗匹配层和该第二阻抗匹配层的每个超材料片层均包括基材和附着于该基材上的多个相同的人造金属微结构，各个超材料片层上附着的人造金属微结构均具有相同的几何形状且尺寸逐渐变化，每个该人造金属微结构包括在三维空间内两两垂直且共一交点的三个第一金属分支、分别连接在每个该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支的第二金属分支、分别连接在每个该第二金属分支两端且垂直于该第二金属分支的第三金属分支，依此类推；该第一末位超材料片层和该第二末位超材料片层的人造金属微结构尺寸最大，该第一首位超材料片层和该第二首位超材料片层的人造金属微结构尺寸最小。
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