CN103296400A - 高增益超材料天线罩和天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高增益超材料天线罩和天线系统，超材料天线罩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基板上的多个人造微结构；人造微结构是由金属线沿着一雪花状图案的外边缘围成的封闭结构，封闭结构内的雪花状图案所在区域镂空。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，从而提高天线的方向性和增益；而在达到同等增益条件下，能够大大减少天线的阵列数，减少天线整体体积。而且天线罩与天线之间的间隔小，整体厚度很薄，调节超材料层数可控制天线增益，这就提高了用户体验，满足了不同客户对天线增益的不同需求。

Description

高增益超材料天线罩和天线系统

技术领域

本发明涉及天线罩，更具体地说，涉及高增益超材料天线罩和天线系统。

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。

传统高指向性天线分为蝶形天线和阵列天线两大类。蝶形天线虽具有高的指向性增益，但本身面积大，架设困难。阵列天线随所需天线指向性增益的增加，其阵列元也成倍增加，这样体积就大大增加。

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大多不具备增强天线方向性和增益的功能。

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天线罩不具备增强天线方向性和增益的缺陷，提供一种高增益超材料天线罩。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高增益超材料天线罩，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上的多个人造微结构；所述人造微结构是由金属线沿着一雪花状图案的外边缘围成的封闭结构，所述封闭结构内的雪花状图案所在区域镂空。

在本发明所述的超材料天线罩中，所述基板可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上排布有一个所述人造微结构。

在本发明所述的超材料天线罩中，所述雪花状图案包括具有第一线宽的十字形结构，以及分别设置在所述十字形结构的四个分支的末端并与该末端对应的分支垂直的第一线段和第二线段，所述第二线段与所述第一线段平行且间隔预设距离。

在本发明所述的超材料天线罩中，所述第一线段和所述第二线段具有相同的第二线宽。

在本发明所述的超材料天线罩中，所述第二线宽小于所述第一线宽。

在本发明所述的超材料天线罩中，每一超材料单元的长和宽均为10mm，所述金属线的线宽为0.1mm。

在本发明所述的超材料天线罩中，所述第一线宽为3.5～4.2mm，所述第二线宽为0.1～0.3mm。

在本发明所述的超材料天线罩中，所述第一线段的长度为7.8～8.5mm，所述第二线段的长度为5.6～6.3mm。

在本发明所述的超材料天线罩中，所述预设距离为0.3mm。

本发明还提供一种天线系统，包括天线本体，以及如上所述的超材料天线罩，所述超材料天线罩与天线本体平行设置并间隔一定距离。

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。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，从而提高天线的方向性和增益；而在达到同等增益条件下，本发明的天线罩能够大大减少天线的阵列数，减少天线整体体积。

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高增益超材料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结构的立体示意图；

图4是超材料片层上附着的人造微结构排布示意图；

图5是人造微结构的示意图；

图6是雪花状图案的形状示意图；

图7人造微结构的尺寸示意图；

图8是天线系统中增加了高增益超材料天线罩后的S11参数仿真结果示意图；

图9是示出了本发明实施范例的天线系统远场辐射图；

图10是增加超材料天线罩和未加超材料天线罩时天线系统在各频点的增益对比图。

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，还可以提高天线的增益。

本发明提供了一种超材料天线罩，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上的阵列排布的人造微结构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。这里以一个基板为例进行说明，但是在实际设计时，也可以采用两个基板，而人造微结构阵列排布在其中一个基板上，另一基板覆盖人造微结构，将人造微结构夹设在两个基板之间，同样能够达到本发明的目的。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3-4所示，每一超材料单元上排布有一个人造微结构20。如图5所示，每一人造微结构20是由金属线沿着一雪花状图案的外边缘围成的封闭结构，所述封闭结构内的雪花状图案所在区域镂空。图5中的金属线围成的结构即为本发明的人造微结构，该封闭结构内部的区域为镂空的。为了能够清楚地说明人造微结构的具体形状和尺寸，这里使用雪花状图案来间接描述该人造微结构的具体形状，雪花状图案的边缘由本发明的人造微结构包围。在本发明一实施例中，每一超材料单元的长和宽为b＝10mm。

图6示出了该雪花状图案的具体形状。雪花状图案30包括具有第一线宽的十字形结构31，以及分别设置在十字形结构31的四个分支的末端并与该末端对应的分支垂直的第一线段32和第二线段33，第二线段33与第一线段32平行且间隔预设距离。第一线段32在图6中示出的为两个分离的线段，我们这里定义该两个分离的线段以及与十字形结构31各分支的末端连接的部分(三部分构成一连续的线段)称之为第一线段32；同样，第二线段33在图6中示出的为两个分离的线段，我们这里也定义两个分离的线段以及十字形结构31各分支中与第一线段32间隔一定距离且能够与该两个分离的线段连接构成一连续线段的部分(三部分构成一连续的线段)称之为第二线段33。

在本发明一实施例中，第一线段32和第二线段33具有相同的第二线宽。第二线宽小于所述第一线宽。在本发明一实施例中，第一线宽的取值范围为3.5～4.2mm，第二线宽的取值范围为0.1～0.3mm。第一线段32的长度的取值范围为7.8～8.5mm，第二线段的长度的取值范围为5.6～6.3mm。第二线段33与第一线段32间隔的预设距离例如但不限于0.3mm。

人造微结构20是由金属线围绕在雪花状结构30的边沿而构成，人造微结构的具体尺寸见图7所示，图6中的雪花状图案即为图7或图5示出的人造微结构内空白区域形成的镂空图案。图中，金属线的线宽为w＝0.1mm。a的取值范围为8～8.7mm，d＝e＝2.25mm，这就决定了雪花状结构的第一线段32的长度的取值范围为7.8～8.5mm，十字形结构31的第一线宽的取值范围g＝3.5～4.2mm。c的取值范围为0.1～0.3mm。f＝1.15mm，也就决定了第二线段33的长度的取值范围为5.6～6.3mm。人造微结构金属线的相对边距离h为例如9.7mm，那么人造微结构20的距离超材料单元的边界的距离为0.15mm。

基板10的厚度均为1mm，人造微结构的厚度为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F4B或FR4复合材料制得。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也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、聚四氟乙烯、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，本发明对此不作限制。

本发明还提供一种天线系统，包括天线本体，以及如上文所述的超材料天线罩，超材料天线罩与天线本体平行设置并间隔预设距离。该预设距离可依据实际需求进行调节。天线本体包括辐射源、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。天线本体与天线罩的间隔距离可以很小，比如10mm，而天线罩本身的总厚度也仅有1mm左右，因此大大减小了天线的整体体积。这里的天线可以是例如但不限于WLAN天线。

图8示出了天线本体附近设置高增益超材料天线罩后的S11参数仿真结果示意图。从仿真结果可以看出，天线在5.8GHz附近S11很小，具有相当低的回波损耗。

图9是示出了本发明实施范例的天线系统远场辐射图。天线加上超材料天线罩后，波束和辐射能量能得到汇聚，有效提高增益。图10示出了加上本发明实施例的超材料天线罩和未加超材料天线罩时天线系统在各频点的增益对比图，虚线表示未加天线罩时的增益，实线表示增加天线罩时的增益。从对比结果可以看出，在频率5-6GHz范围内，采用本发明实施例的超材料天线罩时，天线的增益都得到了提升。在频率5.8GHz处，采用本发明实施范例的超材料天线罩能获得9.0808dB的增益，而未加天线罩时天线的增益为6.7208dB，提高了2.36dB的增益特性。

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，从而提高天线的方向性和增益；而在达到同等增益条件下，本发明的天线罩能够大大减少天线的阵列数，减少天线整体体积。本发明的超材料天线罩对天线增益的提高不局限于单一频点，对比结果显示，在频率5-6GHz范围内，采用本发明实施例的超材料天线罩时，天线的增益都得到了提升。克服了现有技术中，为了提高增益而成倍增加天线阵列元带来的成本和体积增加的问题。而且天线罩与天线面之间的间隔小，整体厚度很薄，并可通过调节超材料层数控制天线增益，这就提高了用户体验，满足了不同客户对天线增益的不太需求。

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 (10)

1.一种高增益超材料天线罩，其特征在于，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上的多个人造微结构；所述人造微结构是由金属线沿着一雪花状图案的外边缘围成的封闭结构，所述封闭结构内的雪花状图案所在区域镂空。

2.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述基板可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上排布有一个所述人造微结构。

3.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述雪花状图案包括具有第一线宽的十字形结构，以及分别设置在所述十字形结构的四个分支的末端并与该末端对应的分支垂直的第一线段和第二线段，所述第二线段与所述第一线段平行且间隔预设距离。

4.根据权利要求3所述的超材料天线罩，其特征在于，所述第一线段和所述第二线段具有相同的第二线宽。

5.根据权利要求4所述的超材料天线罩，其特征在于，所述第二线宽小于所述第一线宽。

6.根据权利要求2所述的超材料天线罩，其特征在于，每一超材料单元的长和宽均为10mm，所述金属线的线宽为0.1mm。

7.根据权利要求3所述的超材料天线罩，其特征在于，所述第一线宽为3.5～4.2mm，所述第二线宽为0.1～0.3mm。

8.根据权利要求7所述的超材料天线罩，其特征在于，所述第一线段的长度为7.8～8.5mm，所述第二线段的长度为5.6～6.3mm。

9.根据权利要求3所述的超材料天线罩，其特征在于，所述预设距离为0.3mm。

10.一种天线系统，其特征在于，包括天线本体，以及如权利要求1～9任一项所述的超材料天线罩，所述超材料天线罩与天线本体平行设置并间隔预设距离。

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