CN104466386A - 一种低损耗超材料天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低损耗超材料天线罩，包括超材料；所述超材料包括第一超材料片层和第二超材料片层，每个超材料片层包括基板和在所述基板上阵列排布的多个形状和尺寸相同的人造微结构；所述第一超材料片层的人造微结构为金属圆形贴片；所述第二超材料片层的人造微结构为“田”字形结构，所述“田”字形结构包括方形环结构和位于方形环内部的“十”字结构。采用本发明实施例，天线罩在特定频段附近，损耗极小，透波效率很高。

Description

一种低损耗超材料天线罩

技术领域

本发明涉及天线罩，尤其涉及一种低损耗超材料天线罩。

背景技术

超材料，是一种新型人工合成材料，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。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，较难达到高透波要求，而且，天线罩的工作频段较窄，在不同的频段需求下需要更换天线罩，无法实现资源的重复使用，导致资源的浪费以及设备成本的提高。

发明内容

本发明实施例提供一种低损耗超材料天线罩，采用具有周期性阵列排布的多个特定人造微结构的超材料，天线罩在特定频段下，损耗小，透波性能增强。

本发明实施例提供一种低损耗超材料天线罩，其特征在于，包括：超材料；

所述超材料包括第一超材料片层和第二超材料片层，每个超材料片层包括基板和阵列排布在所述基板上的多个形状和尺寸相同的人造微结构；

所述第一超材料片层的人造微结构为金属圆形贴片；

所述第二超材料片层的人造微结构为“田”字形结构，所述“田”字形结构包括方形环结构和位于方形环内部的“十”字结构。

进一步的，所述金属圆形贴片的直径为1.4mm。

再进一步的，所述基板为FR-4有机高分子基板或陶瓷基板。

更进一步的，所述基板的厚度为0.10-0.30mm。

本发明实施例提供的一种低损耗超材料天线罩，通过采用具有周期性阵列排布的多个特定人造微结构的超材料，得到需要的电磁响应，使得基于超材料的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。本发明的超材料天线罩系统工作在19-22G GHz频带内，且在此频带内的损耗极小，透波效率很高。

附图说明

图1为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的超材料的结构侧视图；

图2为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的第一超材料片层的结构示意图；

图3为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的第一超材料片层的人造微结构示意图；

图4为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的第二超材料片层的结构示意图；

图5为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的第二超材料片层的人造微结构示意图；

图6为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的超材料的电路模拟仿真结果示意图；

图7为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的超材料与空气的阻抗匹配示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-5，对本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的结构进行详细说明。

参见图1，为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的超材料的结构侧视图；

所述超材料包括第一超材料片层1和第二超材料片层2，第一超材料片层1和第二超材料片层2重合层叠在一起。

在具体实施当中，两个超材料片层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。

本发明实施例提供的超材料的形状为平板状，在实际设计时也可以根据实际需求来设计天线罩所用超材料的形状，比如可以设计成圆球状或者与天线形状匹配的形状等，也不排除使用多个平板状结构拼接成需要的形状。

参见图2，为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的第一超材料片层的结构示意图；

第一超材料片层1包括基板11和在所述基板上周期性阵列排布的多个形状和尺寸相同的人造微结构12；

所述周期性阵列排布，即以x方向为行、以垂直于x方向的y方向为列地排列，且各行间距、各列间距分别相等，行间距等于列间距均可。

优选的，行间距、列间距不大于所要响应的入射电磁波的波长的四分之一，即例如工作环境是波长为λ的电磁波，需要超材料对此电磁波的电磁特性是呈现负磁导率，则设计人造微结构时将上述行间距、列间距选择不大于四分之一波长。

在具体实施当中，基板11为FR-4有机高分子基板或陶瓷基板，基板11的厚度为0.10-0.30mm。

在具体实施当中，人造微结构通过蚀刻的方式附着在基板上，当然人造微结构也可以采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式附着在基板。

参见图3，为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的第一超材料片层的人造微结构示意图；

第一超材料片层1的人造微结构12为金属圆形贴片；

优选的，所述金属圆形贴片的直径为1.4mm。

具体实施当中，所述金属矩形贴片材质可为铜质、银质或金质。

参见图4，为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的第二超材料片层的结构示意图；

第二超材料片层2包括基板21和在所述基板上周期性阵列排布的多个形状和尺寸相同的人造微结构22；

所述周期性阵列排布，即以x方向为行、以垂直于x方向的y方向为列地排列，且各行间距、各列间距分别相等，行间距等于列间距均可。

优选的，行间距、列间距不大于所要响应的入射电磁波的波长的四分之一，即例如工作环境是波长为λ的电磁波，需要超材料对此电磁波的电磁特性是呈现负磁导率，则设计人造微结构时将上述行间距、列间距选择不大于四分之一波长。

在具体实施当中，基板21为FR-4有机高分子基板或陶瓷基板，基板21的厚度为0.10-0.30mm。

参见图5，为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的第二超材料片层的人造微结构示意图；

第二超材料片层2的人造微结构22为“田”字形结构，所述“田”字形结构包括方形环结构和位于方形环内部的“十”字结构。所述人造微结构22由金属线构成。

在具体实施当中，所述金属线材质可为铜线、银线或金线。

参见图6，为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的超材料的电路模拟仿真结果示意图；

用电路模拟仿真软件对本发明实施例提供的超材料制作的天线罩进行了仿真。

基板选择相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.025的材料，本发明实施例提供的超材料制作的天线罩在较宽的频带内的透波性能都很好，例如15～25GHz，特别是19～22GHz范围内，S21参数的线性值接近于1。

参见图7，为本发明提供的低损耗超材料天线罩的实施例的超材料与空气的阻抗匹配示意图。

通过三维全波电磁场仿真软件对本发明实施例提供的超材料制作的天线罩进行了仿真。

在12-18GHz频段内的阻抗与空气匹配极佳，η平均等于1。可以看出，在19-22GHz时，阻抗η的实部re(η)接近于1，其虚部im(η)接近于0，当频率为21.99GHz时，阻抗η的实部re(η)为0.9271，与空气匹配很好。

本发明实施例提供的一种低损耗超材料天线罩，通过采用具有周期性阵列排布的多个特定人造微结构的超材料，得到需要的电磁响应，使得基于超材料的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。本发明的超材料天线罩工作在19-22G GHz频带内，且在此频带内的透波效率很高。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种低损耗超材料天线罩，其特征在于，包括：超材料；

所述超材料包括第一超材料片层和第二超材料片层，每个超材料片层包括基板和在所述基板上阵列排布的多个形状和尺寸相同的人造微结构；

所述第一超材料片层的人造微结构为金属圆形贴片；

所述第二超材料片层的人造微结构为“田”字形结构，所述“田”字形结构包括方形环结构和位于方形环内部的“十”字结构。

2.如权利要求1所述的低损耗超材料天线罩，其特征在于：所述金属圆形贴片的直径为1.4mm。

3.如权利要求1所述的低损耗超材料天线罩，其特征在于：所述基板为FR-4有机高分子基板或陶瓷基板。

4.如权利要求1所述的低损耗超材料天线罩，其特征在于：所述基板的厚度为0.10-0.30mm。