CN103367912A - 一种超材料天线罩及天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超材料天线罩，其包括具有相对两侧表面的基板以及周期排布于所述相对两侧表面的多个人造金属微结构，所述基板被虚拟划分多个超材料单元，所述超材料单元相对两侧表面各附着有一个人造金属微结构；所述人造金属微结构包括具有开口的开口金属环分支，设置于所述开口金属环分支内部且共端点的三条直线金属分支，所述三条直线金属分支彼此所成角度为120°。本发明超材料天线罩的反射系数S21较纯ABS材料天线罩的反射系数要少0.9至1.1dB，透射系数S11高5至40dB，尤其在12.8至13.6GHZ下，本发明超材料天线罩的透射系数S11较纯ABS材料天线罩的透射系数要高20至40dB，极大地提高了天线罩的电磁性能，还能不损害天线罩的机械性能。

Description

一种超材料天线罩及天线系统

技术领域

本发明涉及天线罩技术领域，尤其涉及一种超材料天线罩及天线系统。

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。

造成上述现象的主要原因是：(1)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；(2)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。对于这些问题，传统天线罩材料工艺中的解决方案，一般着重于采取填充、共混微波陶瓷介质和复合纤维等手段，在保证材料有良好承受机械力和其它性能的同时，调节材料的介电常数和耗散因数。但这种工艺产出的材料，在某些频段内的能量反射依旧不小，并且能量透射方面仍有需要提升的空间。如图1所示，图1为现有的采用ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)材料的天线罩的S参数仿真效果示意图，从图1中，可知采用ABS材料的天线罩的透射系数S11与反射系数S21均具有提升空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的上述不足，提出一种利用超材料理论设计的、在天线工作频段内能有效增强透波功率、减小反射功率的超材料天线罩。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种超材料天线罩，其包括具有相对两侧表面的基板以及周期排布于所述相对两侧表面的多个人造金属微结构，所述基板被虚拟划分多个超材料单元，所述超材料单元相对两侧表面各附着有一个人造金属微结构；所述人造金属微结构包括具有开口的开口金属环分支，设置于所述开口金属环分支内部且共端点的三条直线金属分支，所述三条直线金属分支彼此所成角度为120°。

进一步地，所述三条直线金属分支共同的端点与所述开口金属环分支的圆心重合。

进一步地，所述超材料单元长、宽相等，所述三条直线金属分支的线宽为0.1毫米。

进一步地，所述超材料单元长、宽为2.2至2.5毫米；所述基板厚度为3至6毫米；所述金属开口环分支的内环半径为0.8至1.0毫米，外环半径为0.9至1.1毫米；所述直线金属分支的长度为0.7至0.8毫米。

进一步地，所述基板由ABS材料制成。

进一步地，所述ABS材料在8-18GHZ下，其介电常数为2.5至3.0，损耗角正切为0.01-0.05。

进一步地，所述超材料单元长、宽为2.2毫米；所述金属开口环分支的内环半径为0.9毫米，外环半径为1.0毫米；所述直线金属分支的长度为0.8毫米。

进一步地，所述人造金属微结构表面覆盖有0.01至0.05毫米厚度的防水涂层。

进一步地，所述超材料天线罩还包括固定环，所述基板呈圆柱形，所述固定环包括圆环底板以及圆环边框，所述圆环底板以及圆环边框将所述基板固定。

本发明还提供一种超材料天线系统，其包括上述的超材料天线罩以及天线本体，所述天线本体与所述超材料天线罩间隔预设距离设置。

本发明利用超材料原理制备天线罩，在基板上周期排布人造金属微结构以提高天线罩的电磁性能，本发明超材料天线罩的反射系数S21较纯ABS材料天线罩的反射系数要少0.9至1.1dB，透射系数S11高5至40dB，尤其在12.8至13.6GHZ下，本发明超材料天线罩的透射系数S11较纯ABS材料天线罩的透射系数要高20至40dB，极大地提高了天线罩的电磁性能，还能不损害天线罩的机械性能。

附图说明

图1为现有的采用ABS材料制成的天线罩的S参数仿真效果示意图；

图2为一实施例中构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图3为本发明一实施例中超材料天线罩的结构示意图；

图4为图3中超材料天线罩中一超材料单元的主视图；

图5为一实施例中本发明超材料天线罩与纯ABS材料天线罩的反射系数S21仿真结果示意图；

图6为一实施例中本发明超材料天线罩与纯ABS材料天线罩的透射系数S11仿真结果示意图；

图7为一实施例中本发明超材料天线罩一体成型时的结构示意图。

具体实施方式

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波、透射电磁波、吸收电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。

如图2所示，图2为一实施例中构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构2以及该人造微结构附着的第一基板1。本实施例中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。本实施例中，人造微结构2上还覆盖有第二基板3，第二基板3、人造微结构2以及第一基板1构成超材料的基本单元。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波波长的五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。本段描述中，超材料整体被虚拟的划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基板上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

本发明利用上述超材料原理设计超材料天线罩，其通过设计人造微结构的拓扑图案和/或人造微结构拓扑图案的尺寸、设计基板材料以及基板厚度等参数获得透射性能优良、反射系数较小的超材料天线罩。

如图3所示，图3为本发明一实施例中超材料天线罩的结构示意图。超材料天线罩包括基板10，基板被虚拟划分为多个超材料单元100，一个超材料单元100的两相对表面上各设置有一个人造金属微结构20，因此所述基板包括两相对表面，在所述两相对表面上分别周期排布有多个人造金属微结构20。图2中仅示出了其中一表面上周期排布的多个人造金属微结构20。基板10具有厚度h。图2中，超材料天线罩为长方体形，但是可以想象地，可通过在该长方体形上随意截取任意形状以符合实际需求。

如图4所示，图4为图3中超材料天线罩中一超材料单元的主视图。超材料单元100具有长度cell_x以及宽度cell_y。人造金属微结构20包括具有开口201的金属开口环分支202，金属开口环分支202的内环半径为r，外环半径为R；设置于金属开口环分支202内部的三条直线金属分支203，三条直线金属分支203具有共同的端点2031且三条直线金属分支彼此所成角度均为120°。优选地，三条金属分支共同端点2031即为金属开口环分支202的圆心。直线金属分支203具有长度a_x以及线宽w。

设计时，超材料天线罩则具有7个可调节和设计的几何参数{R，r，a_x，cell_x，cell_y，h，w}。在设计时通过大规模计算，对该7个几何参数分别取不同值并仿真不同几何参数下天线罩的性能，最终选取各几何参数对应的最优选值。在一优选方案中，为减少计算量，提高计算速率，单一超材料单元100的长度cell_x和宽度cell_y取相同值，且线宽w取值0.1毫米。

经过仿真计算，在一实施例中，当单一超材料单元100的长度cell_x和宽度cell_y均取值2.2毫米至2.5毫米，金属开口环分支202的内环半径r取值0.8至1.0毫米，对应的外环半径R取值0.9至1.1毫米，直线金属分支203长度取值0.7至0.8毫米，基板厚度h取值3至6毫米时具有较佳的性能。

另外本发明中，基板10的材料仍优选为ABS材料，优选为在8-18GHZ下，介电常数为2.5至3.0，损耗角正切为0.01-0.05的ABS材料。使用ABS材料时，其材料易获得、强度高、硬度大、韧性好、抗压力性和冲击性能好、容易加工，同时抗酸、碱、盐的腐蚀能力强且还具有一定的耐受有机溶剂溶解的特性，比较符合超材料天线罩的使用环境。

在使用ABS材料作为基板，且超材料单元100的长度cell_x和宽度cell_y均取值2.2毫米，金属开口环分支202的内环半径r取值0.9毫米，对应的外环半径R取值1.0毫米，直线金属分支203长度取值0.8毫米，基板厚度h取值4毫米时仿真该超材料天线罩的性能，并与现有的单纯采用ABS材料的天线罩的性能进行比对。超材料天线罩与ABS天线罩的反射系数S21和透射系数S11的仿真效果对比图分别如图5和图6所示。从图5和图6中可知，在12至14GHZ频率下，本发明超材料天线罩的反射系数S21较纯ABS材料天线罩的反射系数要少0.9至1.1dB，透射系数S11高5至40dB，尤其在12.8至13.6GHZ下，本发明超材料天线罩的透射系数S11较纯ABS材料天线罩的透射系数要高20至40dB，极大地提高了天线罩的电磁性能，还能不损害天线罩的机械性能。

另外，为了保护暴露在基板外面的人造金属微结构不被环境腐蚀，保证超材料天线罩的耐候性，本发明超材料天线罩还在两面人造金属微结构表面均覆盖有0.01至0.05毫米厚度的防水涂层。该涂层防水性能好，对电磁的损耗低。该涂层的材料可选择聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、特氟龙、有机硅等热塑性树脂及其改性品种，也可选用环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、酚醛等热固性树脂及其改性品种，还可选用乙烯-醋酸乙烯共聚物。

如图7所示，图7为本发明超材料天线罩一实施例中一体化成型的结构示意图。图7中，超材料天线罩中的基板1000为圆柱形，其厚度为2-5毫米，直径为340-350毫米。基板1000固定于固定环2000上，固定环包括圆环状的底板2001以及直径与所述基板相适应的圆环边框2002。当基板固定于固定环上时，基板的圆周边被边框2002与底板2001固定，本实施例中，可通过超声焊接、激光焊接等方式将它们焊接成一体，此时，超材料天线罩的圆面上的人造金属微结构被防水涂层保护，圆周被固定环2000保护，从而使得超材料天线罩整体的水密性能和气密性能加强。

本发明还提供一种天线系统，包括天线本体以及上述超材料天线罩，所述超材料天线罩与天线本体间隔预设距离。优选地，所述超材料天线罩与所述天线本体之间距离为天线本体响应电磁波波长的四分之一。

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 (10)

1.一种超材料天线罩，其特征在于：包括具有相对两侧表面的基板以及周期排布于所述相对两侧表面的多个人造金属微结构，所述基板被虚拟划分多个超材料单元，所述超材料单元相对两侧表面各附着有一个人造金属微结构；所述人造金属微结构包括具有开口的开口金属环分支，设置于所述开口金属环分支内部且共端点的三条直线金属分支，所述三条直线金属分支彼此所成角度为120°。

2.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：所述三条直线金属分支共同的端点与所述开口金属环分支的圆心重合。

3.如权利要求2所述的超材料天线罩，其特征在于：所述超材料单元长、宽相等，所述三条直线金属分支的线宽为0.1毫米。

4.如权利要求3所述的超材料天线罩，其特征在于：所述超材料单元长、宽为2.2至2.5毫米；所述基板厚度为3至6毫米；所述金属开口环分支的内环半径为0.8至1.0毫米，外环半径为0.9至1.1毫米；所述直线金属分支的长度为0.7至0.8毫米。

5.如权利要求1至4任一项所述的超材料天线罩，其特征在于：所述基板由ABS材料制成。

6.如权利要求5所述的超材料天线罩，其特征在于：所述ABS材料在8-18GHZ下，其介电常数为2.5至3.0，损耗角正切为0.01-0.05。

7.如权利要求6所述的超材料天线罩，其特征在于：所述超材料单元长、宽为2.2毫米；所述金属开口环分支的内环半径为0.9毫米，外环半径为1.0毫米；所述直线金属分支的长度为0.8毫米。

8.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：所述人造金属微结构表面覆盖有0.01至0.05毫米厚度的防水涂层。

9.如权利要求1或8所述的超材料天线罩，其特征在于：所述超材料天线罩还包括固定环，所述基板呈圆柱形，所述固定环包括圆环底板以及圆环边框，所述圆环底板以及圆环边框将所述基板固定。

10.一种超材料天线系统，其特征在于：包括权利要求1所述的超材料天线罩以及天线本体，所述天线本体与所述天线罩间隔预设距离设置。

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