CN102842760B - 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，透波材料包括至少一个由非金属材料制成的第一基板以及附着在第一基板的两相对外表面上且阵列排布的多个人造微结构，所述人造微结构包括具有两个对称的开口的圆形结构以及经过所述圆形结构中心的一字形结构，所述两个开口分别位于所述一字形结构的两侧。本发明的透波材料及其天线罩和天线系统在工作频带内透波效率很高。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。造成这些现象的原因是：天线罩壁的反射和不均匀部分的绕射会引起天线主波瓣电轴偏移，从而产生瞄准误差；天线罩对高频能量的吸收和反射会引起传输损耗，从而影响天线增益(接收时使系统噪声温度增加)。

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差的缺陷，提供一种具有高透波特性的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，包括至少一个由非金属材料制成的第一基板以及附着在第一基板的两相对外表面上且阵列排布的多个人造微结构，所述人造微结构包括具有两个对称的开口的圆形结构以及经过所述圆形结构中心的一字形结构，所述两个开口分别位于所述一字形结构的两侧，所述圆形结构由两段弧形结构组成，两段所述弧形结构为同一所述圆形结构的一部分，所述两个开口的长度相等，为0.3～0.7mm，所述人造微结构的厚度为0.018mm，相邻的两个人造微结构的中心之间的距离为1.4～2.2mm。

在本发明所述的透波材料中，所述两个开口相对于所述一字形结构对称分布。

在本发明所述的透波材料中，所述一字形结构和所述圆形结构由金属丝构成。

在本发明所述的透波材料中，所述一字形结构和所述圆形结构的金属丝的宽度相等。

在本发明所述的透波材料中，所述圆形结构的直径为1.2～2.0mm。

在本发明所述的透波材料中，所述两个开口的长度相等。

在本发明所述的透波材料中，所述第一基板的厚度为2mm。

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人造微结构，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。本发明的透波材料及其天线罩和天线系统在工作频带内透波效率很高。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示意图；

图2是依据本发明一实施例的人造微结构的排布示意图；

图3是依据本发明一实施例的单个人造微结构的示意图；

图4是依据本发明一实施例的透波材料和纯ABS材料的反射系数对比示意图；

图5是依据本发明一实施例的透波材料和纯ABS材料的透射系数对比示意图；

图6是依据本发明一实施例的由透波材料制成的平板状天线罩和固定环的立体图；

图7是图6的装配图；

图8是图1的剖视图；

图9是依据本发明另一实施例的透波材料的剖视图。

具体实施方式

本发明提供了一种透波材料，包括至少一个由非金属材料制成的第一基板以及附着在第一基板10的两相对外表面上且阵列排布的多个人造微结构。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，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、铁电材料、或者铁磁材料等。

如图1所示，本实施例中的透波材料包括第一基板10，以及夹设于第一基板10以及附着在第一基板10的两相对外表面上且阵列排布的多个人造微结构30。透波材料的剖视图如图8所示，基板10的两相对表面上均排布有多个人造微结构，多个人造微结构在两相对表面上形成两层人造微结构层A和B。第一基板10优先选取介电常数为2.2～3.2，损耗角正切不超过0.02的材料。

人造微结构30为导电材料制成的丝线组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。

人造微结构30的具体几何形状图案见图2和图3，人造微结构30包括具有两个对称的开口K的圆形结构31以及经过所述圆形结构31中心的一字形结构32，两个开口K分别位于一字形结构32的两侧。在本发明一实施例中，如图2-3所示，两个开口K相对于一字形结构32对称分布。图示的人造微结构的数目仅为示意，仅用于说明人造微结构之间的排布情况，不作为对本发明的限制。

一字形结构32和圆形结构31由金属丝构成，在本发明优选实施例中，一字形结构32和圆形结构31的金属丝的宽度w相等。圆形结构31的直径a为1.2～2.0mm。两个开口K的长度相等，开口K的长度b为0.3～0.7mm。开口K与一字形结构32的间距为c。

下面将结合具体实施例来说明本发明的透波材料的应用效果。在一实施例中，相邻的两个人造微结构30的中心之间的距离为1.7mm，圆形结构31的直径a＝1.5mm，宽度w＝0.1mm。一字形结构32的经过圆形结构31的中心，且与圆形结构31相接，长度为1.3mm，宽度w＝0.1mm。开口K的长度b＝0.5mm。开口K与一字形结构32的间距c＝0.58mm。金属丝为金丝、银丝或铜丝，或者为含有金、银或铜的合金丝。第一基板10的厚度分别为4mm，人造微结构30的厚度为0.018mm。在本发明一实施例中，第一基板10由介电常数为2.8，损耗角正切为0.01的ABS材料制得。

人造微结构30通过蚀刻的方式附着在第一基板10上，当然人造微结构30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上。第一基板10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4-5所示，本发明的透波材料的反射系数和透射系数用S11、S21表示，纯ABS材料的反射系数和透射系数用S11_1、S21_1表示。

由图4可以看到，在12.292～15.626GHz频带内，透波材料的反射系数S11小于纯ABS材料的反射系数S11_1，而透射系数S21远大于纯ABS材料的透射系数S21_1。当频率为12.292GHz时，S21＝-0.49888dB，当频率为15.626GHz时，S21＝-0.49176dB。透波材料在12.292～15.626GHz频带内S21参数都大于-0.5dB，透波性能优于纯ABS材料，具有高透波特性。在实际应用时，通过调节人造微结构的形状、尺寸，可以改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而两个通带向高频或低频移动，或者改变带宽，满足不同频带需求。

透波材料也可以采用多层基板，比如包括两层基板，相邻基板间均设有上述排布的人造微结构，如图9所示，包括两层基板10和20，以及三层金属微结构层A、B、C，同样能够达到高透波的效果。

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或者类似的平板状(圆形板、方形板、其他不规则形状的平板)，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。

图6示出了依据本发明一实施例的天线罩60结构示意图。如图所示，天线罩60包括了上文所述的透波材料制成的平板状天线罩61(这里示出的是圆形平板状)，以及用于固定平板状天线罩61的固定环62，二者通过超声焊接技术焊接在一起。固定环62由热塑性材料经注塑成型、模压成型或者机械加工等适当的加工工艺而制成，只要能起到支撑所述超材料板材并可承受外界对天线罩60所施加的负重即可。一般，为了便于焊接，平板状天线罩61和固定环62由同一种热塑性材料制成。若不为此目的，平板状天线罩61和固定环62分别可有任何热塑性材料制成。固定环62的几何形状可依据实际情况而定，如圆环形、十字形、骨架形等等。图6示出了固定环62的一个实施例，是一与平板状天线罩61的边缘轮廓相配合的圆形边框，由ABS制得，包括圆环部621和由圆环部621围合而形成的敞口622，圆环部621的截面大致呈L形。圆形边框可利用ABS原料经一次注塑或者模压成型而制得；也可利用ABS原料经注塑或者模压成型先制得一类似有底的圆形浅碟状的半成品，再通过机械加工的方法在所述半成品的底部切出所述敞口622而制得。将平板状天线罩61置于固定环62上并盖住敞口622，而其边缘与固定环62的侧边相接触，这时即可通过超声焊接、激光焊接等方式将它们焊接成一体，从而形成用于保护天线的天线罩60，装配在一起后的天线罩60见图7所示。超声焊接可用于由任何材料制成的平板状天线罩61与固定环62之间的结合，如树脂之间、树脂与金属之间以及其它材料之间。当然，所述平板状天线罩61与固定环62由同一材料(其熔点不宜大于350℃)制成时比较容易结合，制成的天线罩60也较牢固。在平板状天线罩61与固定环62的接触处也可设置一些配合结构，以便形成水密和气密性能较好的天线罩60。

激光焊接主要用于由可吸收足够的激光而熔化的材料制成的所述超材料板材和框架之间的结合，特别适用于结构、软化温度和增强材料等方面完全不同的聚合物之间的结合，且可根据用于制造平板状天线罩61与固定环62的材料，选择不同的激光设备来焊接。例如，掺钕钇铝石榴石合成晶体(Nd3+:YAG)和二极管激光器，其产生的激光波长分别约为1064nm、800-1000nm，适合于由含有特殊填料或颜料的树脂制成的所述超材料板材和框架；而二氧化碳(CO₂)激光器，其产生的激光波长约为10600nm，尽管容易被吸收，但其穿透性不好，适用于较薄的所述超材料板材和框架之间的结合。与超声焊接相比，激光焊接可极大地减小天线罩60的振动应力和热应力，减缓其老化速度。图6中所示的由ABS制成的平板状天线罩61与固定环62通过超声焊接的方法制成天线罩60，由于其焊接处的强度接近于平板状天线罩61本身的强度，从而制得一体化的天线罩60。

为了保持天线罩外观的整体性和提高其美观性，可在平板状天线罩61的内外表面涂覆保护层，所述保护层可由任何现有的使用于天线罩表面的保护涂料制成，应具有良好的透波性能、耐季候性、附着力强等特点，如聚氨脂、氟树脂、氟碳树脂等，并对天线罩60的焊接处进行修饰。

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。

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。本发明的透波材料及其天线罩和天线系统在工作频带内透波效率很高，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。

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 (9)

1.一种透波材料，其特征在于，包括至少一个由非金属材料制成的第一基板以及附着在第一基板的两相对外表面上且阵列排布的多个人造微结构，所述人造微结构包括具有两个对称的开口的圆形结构以及经过所述圆形结构中心的一字形结构，所述两个开口分别位于所述一字形结构的两侧，所述圆形结构由两段弧形结构组成，两段所述弧形结构为同一所述圆形结构的一部分，所述两个开口的长度相等，为0.3～0.7mm，所述人造微结构的厚度为0.018mm，相邻的两个人造微结构的中心之间的距离为1.4～2.2mm。

2.根据权利要求1所述的透波材料，其特征在于，所述两个开口相对于所述一字形结构对称分布。

3.根据权利要求2所述的透波材料，其特征在于，所述一字形结构和所述圆形结构由金属丝构成。

4.根据权利要求3所述的透波材料，其特征在于，所述一字形结构和所述圆形结构的金属丝的宽度相等。

5.根据权利要求4所述的透波材料，其特征在于，所述圆形结构的直径为1.2～2.0mm。

6.根据权利要求5所述的透波材料，其特征在于，所述两个开口的长度相等。

7.根据权利要求1所述的透波材料，其特征在于，所述第一基板的厚度为4mm。

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

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