CN102842758B - 透波材料及其天线罩和天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及透波材料及其天线罩和天线系统。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且排布成网格状的多个第一金属微结构；所述透波材料还包括附着于所述第一基板外表面的多个第二金属微结构和附着于所述第二基板外表面的多个第三金属微结构，其中所述第二金属微结构、第三金属微结构与所述第一金属微结构不相同。本发明的透波材料及其天线罩和天线系统在Ku波段内的透波效率很高，而且能够屏蔽其他频段，从而排除干扰，保证了天线的良好工作环境。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。

Description

透波材料及其天线罩和天线系统

技术领域

本发明涉及天线罩，更具体地说，涉及透波材料及其天线罩和天线系统。

背景技术

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。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、工作频段较窄的缺陷，提供透波材料及其天线罩和天线系统。

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且排布成网格状的多个第一金属微结构；

所述透波材料还包括附着于所述第一基板外表面的多个第二金属微结构和附着于所述第二基板外表面的多个第三金属微结构，其中所述第二金属微结构、第三金属微结构与所述第一金属微结构不相同。

在本发明所述的透波材料中，相邻的第一金属微结构之间无间隙，且所述第一金属微结构为十字形结构。

在本发明所述的透波材料中，所述第二金属微结构为排布成两行两列且彼此间隔一定距离的四个方形贴片。

在本发明所述的透波材料中，所述第三金属微结构与所述第二金属微结构相同。

在本发明所述的透波材料中，所述十字形结构由两条尺寸相同且垂直平分的金属线构成。

在本发明所述的透波材料中，所述方形贴片为正方形贴片，正方形贴片的边长小于所述金属线的线长的四分之一。

在本发明所述的透波材料中，所述金属线的线长为8～10mm，线宽为0.1～0.2mm。

在本发明所述的透波材料中，正方形贴片的边长为1.5～2.5mm。

本发明还提供一种天线罩，用于罩设在天线上，包括如上所述的透波材料。

本发明还提供一种天线系统，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。本发明的透波材料及其天线罩和天线系统在Ku波段内的透波效率很高，而且能够屏蔽其他频段，从而排除干扰，保证了天线的良好工作环境。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。

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透波材料的结构侧视图；

图2是图1所示的透波材料的第一金属层示意图；

图3是图2所示的第一金属微结构的排布示意图；

图4是图3所示的单个第一金属微结构的示意图；

图5是依据本发明一实施例的第二金属微结构在第一基板外表面的排布示意图；

图6是图5所示的单个第二金属微结构的示意图；

图7是依据本发明一实施例的第三金属微结构在第二基板外表面的排布示意图；

图8是依据本发明一实施例的透波材料的S参数仿真示意图；

图9是图8的S21参数在Ku波段的放大图；

图10～12是介电常数e、磁导率μ、阻抗η随频率变化的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种双频带通透波材料，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之间且排布成网格状的多个第一金属微结构31，多个第一金属微结构31构成第一金属层1。透波材料还包括附着于第一基板10外表面的多个第二金属微结构32和附着于第二基板20外表面的多个第三金属微结构33，其中第二金属微结构32、第三金属微结构33与第一金属微结构31不相同。多个第二金属微结构32构成第二金属层2，第三金属微结构33构成第三金属层3。第一、第二、第三金属微结构31、32、33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。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，HighDensityPolyethylene)、ABS(AcrylonitrileButadieneStyrene)、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。

第一金属微结构31在第一基板10和第二基板20之间的排布及具体形状见图2～4所示。相邻的第一金属微结构31之间无间隙，且第一金属微结构31为十字形结构。十字形结构是由两条尺寸相同且相互垂直的金属线构成，所述金属线的线长a为8～10mm，线宽w为0.1～0.2mm。

第二金属微结构32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32为排布成两行两列且彼此间隔一定距离的四个方形贴片。在本发明一实施例中，四个方形贴片为正方形贴片，正方形贴片的边长b小于十字形结构的金属线的线长a的四分之一。正方形贴片的边长b为1.5～2.5mm。相邻方形贴片之间的距离c为3～7mm。

在本发明一实施例中，附着于第二基板20外表面的第三金属微结构33与第二金属微结构32相同，为排布成两行两列且彼此间隔一定距离的四个方形贴片。四个方形贴片优选正方形贴片，正方形贴片的边长b小于十字形结构的金属线的线长a的四分之一。正方形贴片的边长b为1.5～2.5mm。相邻方形贴片之间的距离c为3～7mm。第三金属微结构33在第二基板20外表面的排布见图7所示。

第一金属微结构31、第二金属微结构32、第三金属微结构33的单个微结构的位置相对应，即：第二金属微结构32的十字形结构的位置与第一基板外表面上的四个方形贴片、第二基板外表面的四个方形贴片的位置相对应，俯视透视材料，每一十字形结构的中心与四个方形贴片所构成的对应的每一第二、第三金属微结构32、33的中心重合。相邻的第一金属微结构31之间无间隙，相邻的第二金属微结构32之间无间隙，相邻的第三金属微结构33之间无间隙。

可以理解的是，说明书附图中示出的第一、第二、第三金属微结构31、32、33的数目仅为示意，用于说明第一、第二、第三金属微结构31、32、33的排布情况，不作为对本发明的限制。

下面将结合具体实施例来说明本发明的双通带透波材料的应用效果。在一实施例中，第一金属微结构31为十字形结构，由两条尺寸相同且相互垂直的金属线构成，金属线的长度a＝8.2mm，线宽w＝0.1mm。第二、第三金属微结构32、33均为正方形贴片，正方形贴片边长b＝1.8mm，相邻方形贴片之间的间距c＝4.6mm。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的介电常数为2.65，损耗角正切为0.001。第一基板10、第二基板20的厚度为2.4mm，金属微结构的厚度为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。金属微结构31、32、33通过蚀刻的方式附着在基板上，当然金属微结构31、32、33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，Highimpactpolystyrene)材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。

对具有上述参数的透波材料进行仿真，其S参数仿真图如图8～9所示。由图8～9可以看到，在Ku波段(12～18GHz)内，S21接近于0，S11很小，透波效果很好。图9是图8的S21参数在Ku波段的放大图，由图9可知，在Ku波段内S21都大于-0.1dB。在实际应用时，通过调节第一、第二、第三金属微结构的形状、尺寸，可以改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而通带向高频或低频移动，或者改变带宽。

通过CSTretrieval程序算得在Ku波段(12-18GHz)内的阻抗与空气匹配极佳，介电常数e、磁导率μ、阻抗η随频率变化的示意图见图10、11、12，由图可知，在Ku波段阻抗η平均等于1，损耗也很小，所以透波率能够达到很高的标准。

本发明通过在基板上设计不同的金属微结构，通过相关金属层的电磁响应特征来改变各个空间点的介电常数，使基板对Ku波段的电磁响应特征与空气相近。从而减少了微波系统由于引入传统介质后特性阻抗不匹配所引起的衰减，从而减小反射、提高传输效率。

透波材料也可以采用多层基板，比如包括3层基板，相邻基板间均设有上述排布的金属微结构。同样能够达到高透波效果。这种性能可以用在对电磁波的通与阻有特殊要求的应用场合。

因此，本发明还提供一种天线罩，该天线罩由上文所述的透波材料制成，用于罩设于在天线上，对天线起到保护作用的同时，还能够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系统，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。

本发明的透波材料及其天线罩和天线系统在Ku波段内的透波效率很高，而且能够屏蔽其他频段，从而排除干扰，保证了天线的良好工作环境。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。在实际应用时，通过调节第一、第二、第三金属微结构的形状、尺寸，可以改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而通带向高频或低频移动，或者改变带宽。

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 (8)

1.一种透波材料，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且排布成网格状的多个第一金属微结构；

所述透波材料还包括附着于所述第一基板外表面的多个第二金属微结构和附着于所述第二基板外表面的多个第三金属微结构，其中所述第二金属微结构与所述第三金属微结构相同，所述第二金属微结构、第三金属微结构与所述第一金属微结构不相同，并且每个所述第一金属微结构与对应的一个所述第二金属微结构和对应的一个所述第三金属微结构的位置对应，每个所述第一金属微结构的中心与对应的一个所述第二金属微结构和对应的一个所述第三金属微结构的中心重合，所述多个第一金属微结构为十字形结构，所述多个第一金属微结构中相邻的第一金属微结构之间无间隙，所述多个第二金属微结构中相邻的第二金属微结构之间无间隙，从而通过多个所述第一金属微结构、多个所述第二金属微结构和多个所述第三金属微结构的电磁响应特征来改变各个空间点的介电常数。

2.根据权利要求1所述的透波材料，其特征在于，所述第二金属微结构为排布成两行两列且彼此间隔一定距离的四个方形贴片。

3.根据权利要求2所述的透波材料，其特征在于，所述十字形结构由两条尺寸相同且垂直平分的金属线构成。

4.根据权利要求3所述的透波材料，其特征在于，所述方形贴片为正方形贴片，正方形贴片的边长小于所述金属线的线长的四分之一。

5.根据权利要求4所述的透波材料，其特征在于，所述金属线的线长为8～10mm，线宽为0.1～0.2mm。

6.根据权利要求5所述的透波材料，其特征在于，正方形贴片的边长为1.5～2.5mm。

7.一种天线罩，其特征在于，用于罩设在天线上，包括如权利要求1～6任一项所述的透波材料。

8.一种天线系统，其特征在于，包括天线以及如权利要求7所述的天线罩，所述天线罩罩设于天线上。