CN103682660B - 低频透波材料及其天线罩和天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低频透波材料及其天线罩和天线系统，低频透波材料包括厚度不相同的第一基板、第二基板、第三基板，以及夹设在第一基板与第二基板之间且阵列排布的第一人造微结构、夹设在第二基板与第三基板之间且阵列排布的第二人造微结构，其中第一人造微结构为金属圆环，第二人造微结构为共圆心的多个金属圆环。本发明的低频透波材料及其天线罩和天线系统在低频频段透波效率很高，而且能够屏蔽其它频段。
Description
技术领域
本发明涉及天线罩，更具体地说，涉及低频透波材料及其天线罩和天线系统。
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。造成这些现象的原因是：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；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（接收时使系统噪声温度增加）。
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不具备增强天线方向性和提高天线增益的功能。而且，在电磁波低频入射时，透波性能很差，无法满足低频透波的需求。
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无法满足低频透波需求的缺陷，提供一种低频透波材料及其天线罩和天线系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种低频透波材料，用于实现低频透波，包括厚度不相同的第一基板、第二基板、第三基板，以及夹设在第一基板与第二基板之间且阵列排布的第一人造微结构、夹设在第二基板与第三基板之间且阵列排布的第二人造微结构，其中第一人造微结构为金属圆环，第二人造微结构为共圆心的多个金属圆环。
在本发明所述的低频透波材料中，第二人造微结构的最外部的金属圆环的内半径小于第一人造微结构的金属圆环的内半径。
在本发明所述的低频透波材料中，第二人造微结构的相邻金属圆环之间的间隔相等。
在本发明所述的低频透波材料中，第二人造微结构的多个金属圆环的宽度相等。
在本发明所述的低频透波材料中，第一人造微结构的金属圆环的宽度等于第二人造微结构的金属圆环的宽度。
在本发明所述的低频透波材料中，第二基板和第三基板具有相同的相对介电常数和损耗角正切值。
在本发明所述的低频透波材料中，第一基板的相对介电常数小于第二基板的相对介电常数，第一基板的损耗角正切值小于第二基板的损耗角正切值。
在本发明所述的低频透波材料中，第一基板的相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001，厚度为0.25mm；第二基板的相对介电常数为8.79，损耗角正切值为0.142，厚度为0.8mm；第三基板的相对介电常数为8.79，损耗角正切值为0.142，厚度为1.6mm。
本发明还提供一种天线罩，用于罩设在天线上，包括如上所述的低频透波材料。
本发明还提供一种天线系统，包括天线以及如上所述的天线罩，所述天线罩罩设于天线上。
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，使得天线罩的透波性能增强，抗干扰能力增加。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，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制。本发明的低频透波材料及其天线罩和天线系统在低频频段透波效率很高，不仅能够实现低频带通，而且能够实现其它频段的带阻。
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低频透波材料的剖视图；
图2是图1所示的低频透波材料的结构示意图；
图3是依据本发明一实施例的第一人造微结构的示意图；
图4是图3所示的第一人造微结构的排布示意图；
图5是依据本发明一实施例的第二人造微结构的示意图；
图6是图5所示的第二人造微结构的排布示意图；
图7是依据本发明一实施例的低频透波材料的仿真结果示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种低频透波材料，低频透波材料用于实现低频透波，包括厚度不相同的第一基板、第二基板、第三基板，以及夹设在第一基板与第二基板之间且阵列排布的第一人造微结构、夹设在第二基板与第三基板之间且阵列排布的第二人造微结构。制造基板的材料有多种选择，例如陶瓷、FR4、F4B（聚四氟乙烯）、HDPE（高密度聚乙烯，HighDensity Polyethylene）、ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）、铁电材料、或者铁磁材料等。
图1示出了低频透波材料的剖视图，本实施例中的低频透波材料用于实现低频透波，包括厚度各不相同的第一基板10、第二基板20、第三基板30，以及夹设在第一基板10与第二基板20之间且阵列排布的第一人造微结构11、夹设在第二基板20与第三基板30之间且阵列排布的第二人造微结构22，其中第一人造微结构11为金属圆环，第二人造微结构22为共圆心的多个金属圆环，如图2所示。多个第一人造微结构11夹设在第一基板10和第二基板20之间，形成一层人造微结构层A，多个第二人造微结构22夹设在第二基板20和第三基板30之间，形成一层人造微结构层B。为了加以区别，人造微结构层A和人造微结构层B用不同的斜线填充。第一基板10优先选取介电常数为2.0～3.0，损耗角正切不超过0.005的材料。
第一人造微结构11和第二人造微结构22为导电材料制成的丝线组成的具有一定几何图案的平面结构。这里的导电材料，可以是金、银、铜等导电性能良好的金属材料，或者主要成分为金、银、铜中的一种或两种的合金材料，也可以是碳纳米管、掺铝氧化锌、铟锡氧化物等可以导电的非金属材料。本发明中，优选铜或银。
如图2所示，示出了图1所示的低频透波材料的透视图。第一人造微结构11为金属圆环，第二人造微结构22为共圆心的多个金属圆环，如图3-6所示。第一人造微结构11的圆心与第二人造微结构22的圆心相对应，即，俯视时两者的圆心重合。在本发明一优选实施例中，第二人造微结构22的最外部的金属圆环的内半径小于第一人造微结构11的金属圆环的内半径。图示的第一、第二人造微结构的数目仅为示意，仅用于说明人造微结构之间的排布情况，不作为对本发明的限制。
作为优选实施例，第二人造微结构22的相邻金属圆环之间的间隔相等，第二人造微结构22的多个金属圆环的宽度w2相等，如图5所示。另一优选实施例中，第一人造微结构11的金属圆环的宽度w1等于第二人造微结构22的金属圆环的宽度w2。
图4和图6分别是第一人造微结构11和第二人造微结构22的排布示意图。相邻的第一人造微结构11之间的圆心距相等，相邻的第二人造微结构22之间的圆心距相等。作为优选实施例，相邻的第一人造微结构11和相邻的第二人造微结构22的圆心距均为9.5mm。
在本发明中，第二基板和第三基板具有相同的相对介电常数和损耗角正切值。第一基板10具有不同于第二基板20和第三基板30的相对介电常数和损耗角正切值，在一优选实施例中，第一基板10的相对介电常数小于第二基板20的相对介电常数，第一基板10的损耗角正切值小于第二基板20的损耗角正切值。
下面将结合具体实施例来说明本发明的低频透波材料的应用效果。在此实施例中，第一基板10的相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001，厚度为0.25mm；第二基板20的相对介电常数为8.79，损耗角正切值为0.142，厚度为0.8mm；第三基板30的相对介电常数为8.79，损耗角正切值为0.142，厚度为1.6mm。第一人造微结构11和第二人造微结构22的厚度为0.018mm。相邻的第一人造微结构11和相邻的第二人造微结构22的圆心距均为9.5mm。第一人造微结构11的金属圆环的内半径R1为3.65mm，宽度为0.15mm。第二人造微结构22的最小的金属圆环的内半径R20为0.55mm，由内到外的金属圆环的内半径依次为：0.55mm、0.85mm、1.15mm、1.45mm、1.75mm，圆环宽度为0.15mm，且第二人造微结构22中的相邻的金属圆环之间的间距为0.15mm。第一人造微结构11和第二人造微结构22通过蚀刻的方式附着在基板上，当然第一人造微结构11和第二人造微结构22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上。
对具有上述参数的低频透波材料进行仿真，其S21参数仿真图如图7所示，本发明的低频透波材料的透射系数用S21表示。由图7可以看到，在低频频带内（0～1GHz），透射系数S21很高，损耗在1dB以内，也就是说在低频能达到很高的透波性能，具有高透波特性，能够满足低频透波的需求。而在其他频段，例如C波段时，损耗达到了10dB，有效抑制了其它波段的电磁波对该透波材料的电磁干扰。因此，本发明的低频透波材料能够满足低频入射的需求，具有很高的透波特性，而且能够抑制其它频段的电磁干扰。在实际应用时，通过调节第一、第二人造微结构11、22的形状、尺寸，可以改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而两个通带向高频或低频移动，或者改变带宽，满足不同频带需求。
因此，本发明还提供一种天线罩，该天线罩由上文所述的低频透波材料制成，用于罩设于在天线上，对天线起到保护作用的同时，还能够保证天线在低频应用时实现高透波性能，且能够屏蔽掉不相关频段，排除干扰。
需要说明的是，天线罩的形状可以为与附图中的低频透波材料形状相同或者类似的平板状（圆形板、方形板、其他不规则形状的平板），也可以根据实际需求来设计天线罩的形状，比如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，以及如上文所述的天线罩，天线罩罩设于天线上。天线包括辐射源、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、微波天线、雷达天线等。
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，使得天线罩的透波性能增强，抗干扰能力增加。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，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制。本发明的低频透波材料及其天线罩和天线系统在低频频段透波效率很高，不仅能够实现低频带通，而且能够实现其它频段的带阻，排除干扰。
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 (9)
1.一种低频透波材料，其特征在于，用于实现低频透波，包括厚度不相同的第一基板、第二基板、第三基板，以及夹设在第一基板与第二基板之间且阵列排布的第一人造微结构、夹设在第二基板与第三基板之间且阵列排布的第二人造微结构，其中第一人造微结构为金属圆环，第二人造微结构为共圆心的多个金属圆环；
第二人造微结构的最外部的金属圆环的内半径小于第一人造微结构的金属圆环的内半径。
2.根据权利要求1所述的低频透波材料，其特征在于，第二人造微结构的相邻金属圆环之间的间隔相等。
3.根据权利要求1所述的低频透波材料，其特征在于，第二人造微结构的多个金属圆环的宽度相等。
4.根据权利要求3所述的低频透波材料，其特征在于，第一人造微结构的金属圆环的宽度等于第二人造微结构的金属圆环的宽度。
5.根据权利要求1所述的低频透波材料，其特征在于，第二基板和第三基板具有相同的相对介电常数和损耗角正切值。
6.根据权利要求5所述的低频透波材料，其特征在于，第一基板的相对介电常数小于第二基板的相对介电常数，第一基板的损耗角正切值小于第二基板的损耗角正切值。
7.根据权利要求6所述的低频透波材料，其特征在于，第一基板的相对介电常数为2.65，损耗角正切值为0.001，厚度为0.25mm；第二基板的相对介电常数为8.79，损耗角正切值为0.142，厚度为0.8mm；第三基板的相对介电常数为8.79，损耗角正切值为0.142，厚度为1.6mm。
8.一种天线罩，其特征在于，用于罩设在天线上，包括如权利要求1～7任一项所述的低频透波材料。
9.一种天线系统，其特征在于，包括天线以及如权利要求8所述的天线罩，所述天线罩罩设于天线上。
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