CN103296416A - 超材料天线罩及天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超材料天线罩，具有一超材料层，所述超材料层包括一介质基板和附着于所述介质基板的两相对表面的多个金属微结构，所述介质基板两相对表面对应位置的每两金属微结构组成一对，每对金属微结构中，任一金属微结构包括相互正交的两分支，每一分支包括相互平行且正对的第一金属线段和第二金属线段以及位于所述第一金属线段和第二金属线段之间并与所述第一金属线段和第二金属线段垂直相连的第三金属线段，所述第三金属线段连接于所述第一金属线段和第二金属线段的中点，所述两分支的第三金属线段垂直相交于彼此的中点；任一表面上的金属微结构与另一表面上的金属微结构重叠，从而具有良好的透波性能。本发明还提供了一种天线系统。
Description
技术领域
本发明涉及天线罩及天线系统，更具体地说，涉及一种由全新设计的超材料制成的天线罩及天线系统。
背景技术
在天线系统中，常常需要用天线罩来罩盖天线，以使天线免受外界恶劣环境的影响，这样，天线收发电磁波时电磁波均需穿过天线罩。尽管目前制造天线罩时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、环氧树脂和ABS以及UPVC等高分子聚合物，但还是无法与空气的波阻抗匹配一致，电磁波在空气与天线罩之间传播时不仅会发生反射，而且天线罩对电磁波的损耗亦较大，从而降低了天线的辐射效率和增益，严重影响天线的电磁性能。此外，目前现有的天线罩在结构上多为均匀单壁结构、夹层结构和空间骨架结构等，在满足机械性能要求的情况下，天线罩的罩壁比较厚，而罩壁厚度与天线罩的工作频段有关，这样，便无法兼顾天线罩的机械性能和高透波率的要求。
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。当前，人们在介质基板上周期性地排列具有一定几何形状的金属微结构来形成超材料。由于可以利用金属微结构的几何形状和尺寸以及排布来改变超材料空间各点的介电常数和/或磁导率，使其产生预期的电磁响应，以控制电磁波的传播，故而，在多个领域具有广泛的应用前景，成为各国科研人员争相研究的热点领域之一。在用超材料作为透波材料来制作天线罩方面，人们已经发现，用其制作的天线罩具有良好的透波性能，对电磁波的损耗也较小。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有良好透波性能的超材料天线罩及天线系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料天线罩，包括一超材料层和两分别覆盖于所述超材料层的两相对表面的保护层，所述超材料层包括一介质基板和附着于所述介质基板的两相对表面而由相应的保护层覆盖的多个金属微结构，所述介质基板两相对表面对应位置的每两金属微结构组成一对，每对金属微结构中，任一金属微结构包括相互正交的两分支，每一分支包括相互平行且正对的第一金属线段和第二金属线段以及位于所述第一金属线段和第二金属线段之间并与所述第一金属线段和第二金属线段垂直相连的第三金属线段，所述第三金属线段的两端分别连接于所述第一金属线段和第二金属线段的中点，所述两分支的第三金属线段垂直相交于彼此的中点；每对金属微结构的几何形状和尺寸均相同，且所述介质基板任一表面上的金属微结构与另一表面上的金属微结构重叠。
优选地，任一金属微结构以垂直于所述介质基板并通过所述中心的直线为轴顺时针或逆时针旋转90度、180度、270度或360度后均与初始位置的金属微结构重合。
优选地，所述两分支的长度相等，均等于8.3～8.5mm。
优选地，每一分支的第一金属线段与第二金属线段的长度相等，均等于0.9～1.1mm。
优选地，所述第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段的宽度相等，均等于0.2～0.4mm。
优选地，所述第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段的厚度相等。
优选地，所述两保护层的厚度相等，均等于0.1～0.3mm。
优选地，所述介质基板的同一表面上的任两最靠近的金属微结构的中心的间距等于8.9～9.1mm。
优选地，所述介质基板的同一表面上的任两最靠近的金属微结构的中心的间距等于9mm；任一金属微结构的两分支的长度均等于8.4mm，所述第一金属线段和第二金属线段的长度均等于1mm，所述第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段的宽度均等于0.3mm、厚度均等于0.018mm；所述两保护层的厚度均等于0.2mm。
优选地，所述介质基板由丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物制成。
优选地，所述介质基板的厚度为2mm。
一种天线系统，包括天线和设置于所述天线接收和/或发射的电磁波的传播方向上的超材料天线罩，所述超材料天线罩包括一超材料层和两分别覆盖于所述超材料层的两相对表面的保护层，所述超材料层包括一介质基板和附着于所述介质基板的两相对表面而由相应的保护层覆盖的多个金属微结构，所述介质基板两相对表面对应位置的每两金属微结构组成一对，每对金属微结构中，任一金属微结构包括相互正交的两分支，每一分支包括相互平行且正对的第一金属线段和第二金属线段以及位于所述第一金属线段和第二金属线段之间并与所述第一金属线段和第二金属线段垂直相连的第三金属线段，所述第三金属线段的两端分别连接于所述第一金属线段和第二金属线段的中点，所述两分支的第三金属线段垂直相交于彼此的中点；每对金属微结构的几何形状和尺寸均相同，且所述介质基板任一表面上的金属微结构与另一表面上的金属微结构重叠。
本发明的超材料天线罩及天线系统具有以下有益效果：由于具有特定形状的多个金属微结构，所述超材料天线罩及天线系统对电磁波的反射小，损耗也较小，透波效果好，因此具有良好的透波性能。
附图说明
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明超材料天线罩的一个结构示意图；
图2是本发明超材料天线罩中核心层的一个平面示意图；
图3是图2中的一个金属微结构的平面示意图；
图4是本发明超材料天线罩的一个样品的反射系数S1和透射系数S2随电磁波的频率变化的曲线图；
图5是图4中某一频段的放大图；
图6是本发明天线系统的一个结构示意图。
图中各标号对应的名称为：
10、24超材料天线罩、12超材料层、14、16保护层、17介质基板、18金属微结构、182分支、184第一金属线段、186第二金属线段、188第三金属线段、19超材料单元、20天线系统、22天线
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的超材料天线罩10包括一超材料层12和两分别覆盖于所述超材料层12的两相对表面的保护层14、16。所述超材料层12包括一介质基板17和附着于所述介质基板17的两相对表面而由相应的保护层14、16覆盖的多个金属微结构18，如图2中位于由虚线形成的网格内的图案。其中，所述多个金属微结构18呈周期性排布，也即，所述多个金属微结构18是周期性地排布于所述介质基板17的两相对表面上并由所述两保护层14、16保护起来。所述介质基板17两相对表面对应位置的每两金属微结构18组成一对，每对金属微结构18的几何形状和尺寸均相同。我们将每对金属微结构18及其所在的介质基板17部分称为一个超材料单元19，如图2所示，则所述超材料层12可看作是由多个所述超材料单元19阵列而成。一般，每个超材料单元19的几何尺寸与穿过所述超材料天线罩10的电磁波波长有关，本实施方式中，所述超材料单元19的长度与宽度均等于L1(如图3)，L1＝8.9～9.1mm。也即，所述介质基板17的同一表面上的任两最靠近的金属微结构18的中心的间距为8.9～9.1mm。每对金属微结构18中，所述介质基板17的任一表面上的金属微结构18与另一表面上的金属微结构18重叠。在实际中，所述多个金属微结构18是通过蚀刻两分别覆盖于所述介质基板17的两相对表面的金属箔如铜箔而形成。当然，所述多个金属微结构18还可以采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式形成在所述介质基板17的两相对表面上。所述介质基板17可由聚合物材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等制成，其厚度为1.9～2.1mm。
每个金属微结构18是由一定尺寸的金属线段构成的具有一定几何形状的平面(二维)或立体(三维)结构，其中，金属线段的截面可以为扁平状或其他任意形状，如圆柱状。如图3所示，每对金属微结构18中，所述介质基板17任一表面上的金属微结构18由具有扁平状截面的金属线段构成，大致呈雪花状，其包括相互正交的两分支182，每一分支182包括相互平行且正对的第一金属线段184和第二金属线段186以及位于所述第一金属线段184和第二金属线段186之间并与所述第一金属线段184和第二金属线段186垂直相连的第三金属线段188，所述第三金属线段188连接于所述第一金属线段184和第二金属线段186的中点，而所述两分支182的第三金属线段188垂直相交于彼此的中点，且所述两分支182的相交点即为所述金属微结构18的中心与所述超材料单元19的中心重叠。所述介质基板17任一表面上的金属微结构18的两分支182的长度均等于L2，L2＝8.3～8.5mm，每一分支182的第一金属线段184与第二金属线段186的长度均等于L3，L3＝0.9～1.1mm，所述金属微结构18的第一、第二和第三金属线段184、186、188的宽度均等于W，W＝0.2～0.4mm，厚度也相等，均为0.017～0.019mm。由上可知，任一金属微结构18以垂直于其所在的平面(也即所述介质基板17)并通过所述金属微结构18的中心的直线为轴顺时针或逆时针旋转90度、180度、270度或360度后均与初始位置的金属微结构18重合。
所述两保护层14、16用于保护所述介质基板17的两相对表面上的金属微结构18，可根据具体的应用环境选择耐腐蚀、耐酸、耐高温、耐季候性的任意材料制成。至于附着工艺，可通过涂覆涂料来形成所述两保护层14、16，其厚度既可相等、也可不相等，一般等于0.1～0.3mm。
为了验证本发明的超材料天线罩10的电磁性能，以下我们以一超材料单元19为样品进行仿真测试。在所述超材料单元19中，其长度和宽度L1均等于9mm，即所述介质基板17的同一表面上的任两最靠近的金属微结构18的中心的间距为9mm；所述介质基板17由丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)制成，厚度为2mm；所述金属微结构18由铜制成，其两分支182的长度L2均等于8.4mm，第一金属线段184和第二金属线段186的长度L3均等于1mm，金属线段184、186、188的宽度W均等于0.3mm、厚度均为0.018mm；而所述两保护层14、16由介电常数为3.3、损耗角正切小于0.016的任意材料制成，其厚度相等，均为0.2mm。仿真获得，所述样品的反射系数S1和透射系数S2随电磁波的频率变化的曲线图如图4和图5所示。从图可知，所述样品对13.3～19.3GHz频段的电磁波的反射系数S1较小，大约在15GHz时达到最低点，表明其反射最小，而在所述频段内透射系数S2大约为-1dB，在15GHz时可达到最大，为-0.14877dB，接近于0，表明此时透波效果最好。由此可知，本发明的超材料天线罩10对电磁波的反射较小，电磁波的损耗亦小，透波效果较佳，具有良好的透波性能。而且由于所述多个金属微结构18被所述两保护层14、16保护起来，可免受外界恶劣条件的不良影响，不仅可保持其电磁性能稳定，而且具有较好的机械性能。
请参考图6，为本发明的天线系统20。所述天线系统20包括天线22和用于保护所述天线22的超材料天线罩24。所述天线22可以是贴片天线、缝隙天线、微带天线等任意类型的天线，也可以是由上述天线组成的天线阵，其馈电方式可以是同轴线、缝隙耦合、微带线等，图中所示仅为一个电磁波的发射源。所述超材料天线罩24位于所述天线22接收和/或发射的电磁波的传播方向上。根据实际需要，所述超材料天线罩24除了包括一层所述超材料层12和覆盖于所述超材料层12的两相对表面的所述两保护层14、16外，也可包括多层所述超材料层12和多组所述两保护层14、16，并通过机械连接、焊接或粘合的方式组合在一起。
此外，尽管在本实施例中，所述超材料层12中具有由ABS制成的介质基板17，这样可根据实际需要将所述超材料天线罩24做成任意形状，如呈弯曲形状(如图6所示)，以与所述天线22共形，当然，也可通过热压平板型超材料板材来形成可与所述天线22共形的超材料天线罩24，或者将多块平板型超材料板材按照一定的模型拼接在一起而形成各种形状的超材料天线罩24。
以上所述仅是本发明的若干具体实施方式和/或实施例，不应当构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以做出若干改进和润饰，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种超材料天线罩，其特征在于，所述超材料天线罩包括一超材料层和两分别覆盖于所述超材料层的两相对表面的保护层，所述超材料层包括一介质基板和附着于所述介质基板的两相对表面而由相应的保护层覆盖的多个金属微结构，所述介质基板两相对表面对应位置的每两金属微结构组成一对，每对金属微结构中，任一金属微结构包括相互正交的两分支，每一分支包括相互平行且正对的第一金属线段和第二金属线段以及位于所述第一金属线段和第二金属线段之间并与所述第一金属线段和第二金属线段垂直相连的第三金属线段，所述第三金属线段的两端分别连接于所述第一金属线段和第二金属线段的中点，所述两分支的第三金属线段垂直相交于彼此的中点；每对金属微结构的几何形状和尺寸均相同，且所述介质基板任一表面上的金属微结构与另一表面上的金属微结构重叠。
2.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，任一金属微结构以垂直于所述介质基板并通过所述中心的直线为轴顺时针或逆时针旋转90度、180度、270度或360度后均与初始位置的金属微结构重合。
3.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述两分支的长度相等，均等于8.3～8.5mm。
4.根据权利要求3所述的超材料天线罩，其特征在于，每一分支的第一金属线段与第二金属线段的长度相等，均等于0.9～1.1mm。
5.根据权利要求4所述的超材料天线罩，其特征在于，所述第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段的宽度相等，均等于0.2～0.4mm。
6.根据权利要求5所述的超材料天线罩，其特征在于，所述第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段的厚度相等。
7.根据权利要求6所述的超材料天线罩，其特征在于，所述两保护层的厚度相等，均等于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，所述介质基板的同一表面上的任两最靠近的金属微结构的中心的间距等于8.9～9.1mm。
9.根据权利要求8所述的超材料天线罩，其特征在于，所述介质基板的同一表面上的任两最靠近的金属微结构的中心的间距等于9mm；任一金属微结构的两分支的长度均等于8.4mm，所述第一金属线段和第二金属线段的长度均等于1mm，所述第一金属线段、第二金属线段和第三金属线段的宽度均等于0.3mm、厚度均等于0.018mm；所述两保护层的厚度均等于0.2mm。
10.根据权利要求9所述的超材料天线罩，其特征在于，所述介质基板由丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物制成。
11.根据权利要求10所述的超材料天线罩，其特征在于，所述介质基板的厚度为2mm。
12.一种天线系统，包括天线，其特征在于，所述天线系统还包括设置于所述天线接收和/或发射的电磁波的传播方向上的超材料天线罩，所述超材料天线罩是权利要求1-11中任意一项所述的超材料天线罩。
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