CN103296408A

CN103296408A - 具有滤波功能的超材料天线罩和天线

Info

Publication number: CN103296408A
Application number: CN2012100509328A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 赵治亚; 方小伟; 张岭
Original assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-11

Abstract

本发明涉及具有滤波功能的超材料天线罩和天线。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尺寸相同的人造微结构；人造微结构为圆环结构。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，使得基于超材料的天线罩具有一定的滤波功能。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、折射率和阻抗以及滤波的频段，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制。对于双频点天线或者多频点天线而言，采用本发明的天线罩可以使得多个频点之间减少相互干扰，保证各个频点的正常工作。另外天线罩非常薄，减小了天线的整体尺寸，降低了重量，同时也便于安装和维护。

Description

具有滤波功能的超材料天线罩和天线

技术领域

本发明涉及天线罩，更具体地说，涉及具有滤波功能的超材料天线罩和天线。

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。

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。功能相对比较单一，不能满足市场上对各种新型天线罩的需求。天线罩在满足高透波性能的前提无法滤波以及减少其它非工作频段频率的干扰。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的天线罩无法滤波以及减少非工作频段频率的缺陷，提供一种具有滤波功能的超材料天线罩以及天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种具有滤波功能的超材料天线罩，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尺寸相同的人造微结构；所述人造微结构为圆环结构。

在本发明所述的超材料天线罩中，所述超材料片层中的第一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，每一超材料单元的长和宽均为7.75mm。

在本发明所述的超材料天线罩中，所述圆环结构由具有预设线宽的金属带构成。

在本发明所述的超材料天线罩中，所述预设线宽的取值范围为0.1～1mm。

在本发明所述的超材料天线罩中，所述金属带的厚度为0.01～0.04mm。

在本发明所述的超材料天线罩中，每一人造微结构与其所在的超材料单元的边界之间的距离为0.375mm。

在本发明所述的超材料天线罩中，所述基板的厚度为0.4～1mm。

在本发明所述的超材料天线罩中，所述基板由FR4复合材料制得。

本发明还提供一种天线，包括雷达天线本体，以及如上所述的超材料天线罩，所述超材料天线罩前置于所述天线本体。

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，使得基于超材料的天线罩具有一定的滤波功能。另外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、折射率和阻抗以及滤波的频段，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制。对于双频点天线或者多频点天线而言，采用本发明的天线罩可以使得多个频点之间减少相互干扰，保证各个频点的正常工作。另外本发明提供的天线罩非常薄，这样就减小了天线的整体尺寸，降低了重量，同时也便于安装和维护。

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是人造微结构的尺寸示意图；

图6是超材料天线罩的S21参数仿真结果示意图。

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。并可通过调节微结构尺寸进行频率选择，根据需要调整相应透波和滤波频率。

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。可通过调节人造微结构的尺寸来控制滤波频率。

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是圆环结构。圆环结构由具有预设线宽的金属带构成。这里的预设线宽的取值范围为0.1～1mm。在本发明一实施例中，每一超材料单元的长和宽为b＝7.75mm。在本发明一实施例中，预设线宽w为0.5mm，圆环结构的内半径r＝3mm，外半径R＝3.5mm，每一人造微结构与其所在的超材料单元的边界之间的距离为0.375mm。预设线宽的金属带的厚度的取值范围为0.01～0.04mm。基板的厚度可在0.4～1mm内选择。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。

图6示出了天线本体附近设置高增益超材料天线罩后的S21参数仿真结果示意图。从仿真结果可以看出，天线罩在12.97GHz附近S21很小，电磁波透射很少。另外，通过电场分布图(未示出)可以得到在天线罩背面的电磁场强度很小，基本接近0，说明在12.97GHz频点，电磁波被阻碍通过，具有滤波功能。经过实物测试后，其实侧结果是在12.93GHz附近S21达到最小，与仿真结果非常接近。

本发明提供的天线罩在不影响工作频段内的透波性能外，在特定频段还具有滤波功能，特别适用于双频段和多频段天线。例如对于工作在13GHz和15GHz两个频点的天线，为了避免两个频点的干扰，就可以采用本发明的天线罩对13～15GHz内不需要的频段进行滤波。

本发明还提供一种天线，包括天线本体，以及如上文所述的超材料天线罩，所述超材料天线罩前置于天线本体。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、雷达天线等。为了使得超材料天线罩与天线本体能够很好地固定，可以增加固定件将两者很好地固定，当然，在实际制作过程中，也可以将天线罩和连接天线本体的边缘一体成型。本发明仅示出了平板状天线罩，可以根据天线本体的具体形状来调整天线罩的外形，比如半球形、盒状等。

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，使得基于超材料的天线罩具有一定的滤波功能。另外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、折射率和阻抗以及滤波的频段，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制。对于双频点天线或者多频点天线而言，采用本发明的天线罩可以使得多个频点之间减少相互干扰，保证各个频点的正常工作。另外本发明提供的天线罩非常薄，基板可做到0.4mm，这样就减小了天线的整体尺寸，降低了重量，同时也便于安装和维护。

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

1.一种具有滤波功能的超材料天线罩，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尺寸相同的人造微结构；所述人造微结构为圆环结构。

2.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述超材料片层中的第一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7.75mm。

4.根据权利要求3所述的超材料天线罩，其特征在于，所述圆环结构由具有预设线宽的金属带构成。

5.根据权利要求3所述的超材料天线罩，其特征在于，所述预设线宽的取值范围为0.1～1mm。

6.根据权利要求5所述的超材料天线罩，其特征在于，所述金属带的厚度为0.01～0.04mm。

7.根据权利要求6所述的超材料天线罩，其特征在于，每一人造微结构与其所在的超材料单元的边界之间的距离为0.375mm。

8.根据权利要求7所述的超材料天线罩，其特征在于，所述基板的厚度为0.4～1mm。

9.根据权利要求1～8任一项所述的超材料天线罩，其特征在于，所述基板由FR4复合材料制得。

10.一种天线，其特征在于，包括天线本体，以及权利要求1～9任一项所述的超材料天线罩，所述超材料天线罩前置于所述天线本体。