CN103367910B - 超材料基站天线罩和天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超材料基站天线罩和天线系统，超材料基站天线罩罩设于天线上，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；每一人造微结构包括四个阵列排布的口字形结构，其中每一口字形结构的靠近人造微结构中心的拐角处开设有缺口；所述口字形结构为边长相等的正方形结构；基板可划分为多个超材料单元，每一超材料单元上排布有一个人造微结构，每一超材料单元划分为四个面积相等的象限，四个口字形结构的中心位于超材料单元四个象限的中心。本发明在基板上附着特定形状的人造微结构，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，加强电磁波的透射，提高天线的方向性和增益。

Description

超材料基站天线罩和天线系统

技术领域

本发明涉及天线罩，更具体地说，涉及超材料基站天线罩和天线系统。

背景技术

近年来，随着无线通讯技术的发展，无线局域网已深入各个场所，为了以低成本、无线化的方式将各个无线网络串联起来，需加强骨干网络基站的布建，通常以长距离及点对点的方式构成，因此需要高指向性、高增益天线。

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，尤其是介电常数和损耗大的材料，对天线电磁波的反射系数大，影响天线的性能，降低天线增益。

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。

人造微结构和基板的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了材料整体的电场响应与磁场响应。超材料的电磁响应很大程度上取决于其人造微结构金属线的拓扑特征和超材料单元尺寸。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。

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，提供一种超材料基站天线罩和天线系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种超材料基站天线罩，所述超材料基站天线罩罩设于天线上，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；每一人造微结构包括四个阵列排布的口字形结构，其中每一口字形结构的靠近所述人造微结构中心的拐角处开设有缺口；所述口字形结构为边长相等的正方形结构；

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，每一超材料单元划分为四个面积相等的象限，四个口字形结构的中心位于超材料单元四个象限的中心。

在本发明所述的超材料基站天线罩中，所述超材料基站天线罩包括一个超材料片层，所述超材料片层还包括一基板，用于覆盖人造微结构，将人造微结构夹设在两个基板之间。

在本发明所述的超材料基站天线罩中，所述口字形结构的尺寸相同，每两个相邻的口字形结构之间有间隙。

在本发明所述的超材料基站天线罩中，所述口字形结构由具有预设线宽的金属丝构成。

在本发明所述的超材料基站天线罩中，所述天线罩工作在L波段和S波段。

在本发明所述的超材料基站天线罩中，每一超材料单元的长和宽均为5mm，所述基板的厚度为2mm，所述人造微结构的厚度为0.018mm。

在本发明所述的超材料基站天线罩中，所述口字形结构的边长为1～2mm，所述缺口的长度为0.1～0.5mm。

在本发明所述的超材料基站天线罩中，所述基板由F4B复合材料制成。

在本发明所述的超材料基站天线罩中，所述人造微结构由铜线或者银线制成。

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基站天线罩，所述超材料基站天线罩罩设于天线本体上。

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。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，实现对电磁波的调制，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制，有效控制电磁波的传播特性，加强电磁波的透射，从而提高天线的方向性和增益。

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超材料基站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基站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是依据本发明另一实施例的超材料片层的结构的立体示意图；

图5是超材料片层上附着的人造微结构排布示意图；

图6是人造微结构的示意图；

图7是超材料基站天线罩的S参数仿真结果示意图；

图8是图7中的S21参数的放大图；

图9是超材料基站天线罩的等效介电常数、磁导率和阻抗。

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，提高电磁波辐射的方向性，提高天线的增益。

本发明提供了一种超材料基站天线罩，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。例如采用3层基板，两层人造微结构间隔排布在3层基板之间；同理，采用5层基板，4层微结构间隔排布在5层基板之间。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，如图4所示，给出了本发明另一实施例的超材料片层的透视图。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基站天线罩来使用。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3-5所示，每一超材料单元上排布有一个人造微结构20。在本发明一实施例中，每一超材料单元的长和宽为b＝5mm。图中所示的超材料单元的划分个数仅为示意，并不作为对本发明的限制。

人造微结构20包括四个阵列排布的口字形结构，其中每一口字形结构的靠近人造微结构中心的拐角处开设有缺口，所述口字形结构为边长相等的正方形结构。在本发明一实施例中，口字形结构的尺寸相同，每两个相邻的口字形结构之间有间隙。口字形结构由具有预设线宽w的金属丝构成，预设线宽w例如但不限于0.05～0.15mm，口字形结构的边长a为1～2mm，缺口的长度c为0.1～0.5mm。本发明的天线罩可以工作在低频频段，例如L波段(1～2GHz)和S波段(2～4GHz)。每一超材料单元划分为四个面积相等的象限，四个口字形结构的中心位于超材料单元四个象限(1、2、3、4)的中心，如图6所示。

基板10的厚度均为2mm，人造微结构20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和基板30也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、FR4、F4B(聚四氟乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯，High Density Polyethylene)、或ABS(AcrylonitrileButadiene Styrene)、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。基板10和基板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，将人造微结构20夹设于基板10和30之间，如图4所示。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，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，包括天线本体，以及如上文所述的超材料基站天线罩，超材料基站天线罩罩设于天线本体上。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。

图7-8示出了超材料基站天线罩的S参数示意图，此实施例中，超材料基站天线罩包括两个基板，两个基板之间夹设多个人造微结构，即图4所示的结构。由图7-8可知，天线罩在0.1-3.0GHz频率范围内反射损耗很小。反射系数S11小于-20dB，透射系数S21大于-0.06dB，天线罩具有良好的透波效果。

图9示出了超材料基站天线罩的等效介电常数ε、磁导率μ和阻抗η。可以看出，在0.1-3.0GHz频率范围内，超材料基站天线罩的等效阻抗η接近1，完美实现与空气的阻抗匹配。

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，实现对电磁波的调制，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制，有效控制电磁波的传播特性，加强电磁波的透射，从而提高天线的方向性和增益。

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 (10)

1.一种超材料基站天线罩，其特征在于，所述超材料基站天线罩罩设于天线上，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；每一人造微结构包括四个阵列排布的口字形结构，其中每一口字形结构的靠近所述人造微结构中心的拐角处开设有缺口；所述口字形结构为边长相等的正方形结构；

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，每一超材料单元划分为呈两行两列排布的四个面积相等的象限，四个口字形结构的中心位于超材料单元四个象限的中心。

2.根据权利要求1所述的超材料基站天线罩，其特征在于，所述超材料基站天线罩包括一个超材料片层，所述超材料片层还包括一基板，用于覆盖人造微结构，将人造微结构夹设在两个基板之间。

3.根据权利要求2所述的超材料基站天线罩，其特征在于，所述口字形结构的尺寸相同，每两个相邻的口字形结构之间有间隙。

4.根据权利要求3所述的超材料基站天线罩，其特征在于，所述口字形结构由具有预设线宽的金属丝构成。

5.根据权利要求1所述的超材料基站天线罩，其特征在于，所述天线罩工作在L波段和S波段。

6.根据权利要求1所述的超材料基站天线罩，其特征在于，每一超材料单元的长和宽均为5mm，所述基板的厚度为2mm，所述人造微结构的厚度为0.018mm。

7.根据权利要求3所述的超材料基站天线罩，其特征在于，所述口字形结构的边长为1～2mm，所述缺口的长度为0.1～0.5mm。

8.根据权利要求1所述的超材料基站天线罩，其特征在于，所述基板由F4B复合材料制成。

9.根据权利要求1至8任一项所述的超材料基站天线罩，其特征在于，所述人造微结构由铜线或者银线制成。

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基站天线罩，所述超材料基站天线罩罩设于天线本体上。