CN104934719A - 带阻透波超材料、天线罩及天线系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带阻透波超材料、天线罩及天线系统。其中，带阻透波超材料包括：多层功能层，各功能层包括介质层（10）和设置在介质层（10）上的导电几何结构，多层功能层中至少一层功能层的导电几何结构为网格状的导电几何结构。本发明的技术方案有效地解决了天线罩透波效果不好的问题。
Description
技术领域
本发明涉及透波材料技术领域，具体而言，涉及一种带阻透波超材料、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。
使用纯材料天线罩在一定的范围内会影响天线的性能。其中，用于制作天线罩的纯材料为普通的物理材料，在制作纯材料天线罩时，利用半波长或四分之一波长理论，并根据不同的天线频率，改变纯材料的厚度，用以减小对电磁波的透波响应。在设计制作纯材料天线罩的时候，当天线的辐射波波长过长时，利用半波长或四分之一波长理论，纯材料天线罩会显得比较厚，进而使得整个天线罩的重量过大。另一方面，纯材料的透波性能比较均一，工作频段内透波，其相邻频段透波效果亦优，工作频段外的透波容易干扰天线的正常工作。
针对现有技术中天线罩透波效果不好的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明旨在提供一种带阻透波超材料、天线罩及天线系统，以解决天线罩透波效果不好的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种带阻透波超材料，包括：多层功能层，各功能层包括介质层和设置在介质层上的导电几何结构，多层功能层中至少一层功能层的导电几何结构包括网格状的导电几何结构，网络状导电几何结构的至少部分网络中设置有导电片；
其中该带阻透波超材料的介质层和多个不连通的导电几何结构使得该带阻透波超材料具有这样的介电常数和磁导率：电磁波在通过该带阻透波超材料时，预设频段的电磁波被截止，而其他频段的电磁波穿透该带阻透波超材料。
根据本发明的另一方面，提供了一种天线罩，包括带阻透波超材料，带阻透波超材料为上述的带阻透波超材料。
根据本发明的另一方面，提供了一种天线天线系统，包括：天线和上述的天线罩，天线罩罩设在天线上。
应用本发明的技术方案，带阻透波超材料包括多层功能层，功能层包括介质层和设置在介质层上的导电几何结构，多层功能层中至少一层功能层的导电几何结构包括网格状的导电几何结构，网络状导电几何结构的至少部分网络中设置有导电片。将导电几何结构置于介质层上，导电几何结构包括网格状的导电几何结构，网络状导电几何结构的至少部分网络中设置有导电片，这样能够调节带阻透波超材料的介电常数和磁导率，可以使得电磁波通过本发明的带阻透波超材料时，工作频段的电磁波能高效率穿透，解决了天线罩透波效果不好的问题，进而提高了天线罩的透波效果。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的带阻透波超材料的实施例的其中一层功能层的主视示意图；
图2示出了图1的带阻透波超材料的另一层功能层的主视示意图；
图3示出了图1的带阻透波超材料的另一层功能层的主视示意图；
图4示出了图1的带阻透波超材料的侧视示意图；
图5示出了图4的带阻透波超材料的TE模的频率响应仿真图；以及
图6示出了图4的带阻透波超材料的TM模的频率响应仿真图。
其中，上述图中的附图标记如下：
11、介质层；12、网格状的导电几何结构；13、导电片；14、十字形变形结构；21、第一导电条；22、第二导电条；23、第三导电条；24、第四导电条；31、预浸料；32、PMI。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例的带阻透波超材料包括：多层功能层，功能层包括介质层11和设置在介质层11上的导电几何结构。如图1所示，多层功能层中一层功能层的导电几何结构包括网格状的导电几何结构12，网络状导电几何结构12的至少部分网络中设置有导电片13。
应用本实施例的技术方案，将导电几何结构置于介质层上，导电几何结构包括网格状的导电几何结构12，网络状导电几何结构12的至少部分网络中设置有导电片13，这样能够调节带阻透波超材料的介电常数和磁导率，可以使得电磁波在通过该带阻透波超材料时，预设频段的电磁波被截止，而其他频段的电磁波穿透该带阻透波超材料。从而通过本实施例，工作频段的电磁波能高效率穿透，解决了天线罩透波效果不好的问题，进而提高了天线罩的透波效果。
在本实施例中，如图1所示，在该功能层中，网格状的导电几何12结构呈周期性排布，网格状的导电几何结构12为四边形，网格状的导电几何结构12的网格是开口的。导电片13呈圆形。导电片13与网格状的导电几何结构12电性隔绝。在本实施例中，网格状的导电几何结构为平面结构。导电片13位于网格状的导电几何结构的部分网格内。当然，也可以是网格状的导电几何结构的每个网格内均设置有导电片。优选地，网格状的导电几何结构的材料为金属线材或导电油墨。
当然，作为其他可行的方案，导电片也可以是三角形、五边形、六边形、圆形、椭圆形中至少一种。
在图中未示出的实施例中，网格状的导电几何结构除了四边形以外，还可以为三角形、五边形、六边形、圆形、椭圆形中至少一种。网格状的导电几何的网格也可以是封闭的。
在图中未示出的实施例中，与上述实施例的区别在于，网格状的导电几何结构为立体结构。优选地，导电片与网格状的导电几何结构位于不同的平面。
上述网格状的导电几何结构包括由直线或者曲线形成的多个导电几何结构，该导电几何结构是十字型、一字型、雪花型、或十字型的变形结构。在本实施例中，图2示出了另一层功能层，在该层中，介质层11和设置在介质层11上的导电几何结构。导电几何结构为镂空环状结构14。
在本实施例中，图3示出了另一层功能层，在该层中，介质层11和设置在介质层11上的导电几何结构。导电几何结构呈十字形变形结构，包括第一导电条21和第二导电条22，第一导电条21与第二导电条22相交。
在本实施例中，导电几何结构为六层，它们彼此间隔设置。这样，对Ku波段的电磁波起到更好的透波作用。导电几何结构可以使用任意金属材料，例如金、银或铜或几种金属的混合物。也可以使用任何导电的非金属材料制成。所使用的任意金属材料的原始形态可以是固体、液体、流状体或粉状物。
优选地，相邻的两层功能层之间设有夹层。进一步地，多层功能层的上表面和下表面上均有保护层。
如图4所示，本实施例的带阻透波超材料还包括多层预浸料31和多层PMI32。本实施例的带阻透波超材料的各结构的叠层次序依次为（图中未示出具有网格状导电几何结构的功能层）：预浸料31、镂空环状结构14及软板、预浸料31、PMI32、预浸料31、镂空环状结构14及软板、预浸料31、PMI32、预浸料31、镂空环状结构14及软板、预浸料31、PMI32、预浸料31、镂空环状结构14及软板、预浸料31、十字形变形结构以及预浸料31。由于介质层、预浸料31和PMI32均具有一定的机械强度，能够对雷达或是被其包裹的装置起到保护作用。此外，上述结构使得本实施例的带阻透波超材料对Ku波段的电磁波起到更好的透波作用。这里制造介质层的非金属材料有多种选择，例如陶瓷、FR4、F4B（聚四氟乙烯）、HDPE（高密度聚乙烯，High DensityPolyethylene）、ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）、铁电材料、或者铁磁材料等。
在上述各结构的叠层次序未示出介质层和具有网格状导电几何结构的功能层，但是，导电几何结构设置在介质层上，两者在的叠层次序可以调换。
如图3所示，在本实施例中，第一导电条21的中部与第二导电条22的中部相连接。这样，对Ku波段之外的电磁波起到抑制作用。当然，作为可行的实施方式，也可以将第一导电条21的一个端部与第二导电条22的中部或一个端部连接。
如图3所示，在本实施例中，导电几何结构还包括两个第三导电条23和两个第四导电条24。两个第三导电条23与第一导电条21的两端一一对应连接。两个第四导电条24与第二导电条22的两端一一对应连接。这样，对Ku波段之外的电磁波起到更好的抑制作用。
如图3所示，在本实施例中，各第三导电条23均与第二导电条22平行，各第四导电条24均与第一导电条21平行。这样，对小于8GHz波段的电磁波起到了更好的抑制作用。
如图3所示，在本实施例中，各第三导电条23的中部与第一导电条21连接，各第四导电条24的中部与第二导电条22连接。这样，对Ku波段之外的电磁波起到更好的抑制作用。
第一导电条21与第二导电条22相垂直。这样，对大于18GHz波段的电磁波具有更好的抑制性能。当然，作为可行的实施方式，第一导电条21与第二导电条22可以形成小于90°的夹角。优选地，第一导电条21与第二导电条22的长度相等。
优选地，第一导电条21的长度与第二导电条22的长度相同或者不相同。此外，第一导电条21的宽度与第二导电条22的宽度相同或者不相同。
在本实施例中，第一导电条21与第二导电条22一体成型，图3示出的导电几何结构的各部分厚度相等。也就是说，第一导电条21与第二导电条22相连接处的厚度与第一导电条21或第二导电条22的其他部分的厚度相等。这样，节省了上述导电几何结构所使用的金属材料，降低了生产成本。
在本实施例中，图中示出的各结构参数如下：各预浸料31的相对介电常数为2.85，损耗正切值为0.005，图中上六层预浸料31的厚度均为0.2mm，下三层预浸料31的厚度均为0.12mm；介质层相对介电常数均为3.2，损耗正切值均为0.002，厚度均为0.025mm；PMI32的相对介电常数为1.05，损耗正切值为0.006，厚度为4mm。图2示出的导电几何结构和图3示出的导电几何结构均由铜制成，厚度均为0.018mm；第一导电条21与第二导电条22的长度均为5mm，宽度均为0.1mm；第三导电条23和第四导电条24的长度均为4mm，宽度均为0.1mm。
如图4和图5所示，图中横轴为天线的工作频率，纵轴为S21参数。其中天线的工作频率的单位为GHz，S21参数的单位为dB。从图中可以看出，当天线的电磁波，包括TE模（英文名TE mode，表示在波导中，电场的纵向分量为零，而磁场的纵向分量不为零的传播模式）和TD模（英文名TM mode，表示在波导中，磁场的纵向分量为零，而电场的纵向分量不为零的传播模式）辐射到上述实施例中的带阻滤波超材料时的S21参数仿真结果。将电磁波投射到本实施例的带阻透波超材料上，显示电磁波的损耗S21的透波率值在12.2GHz到16.5GHz范围内能保证-1.5dB以上的透波率，保证了Ku波段内的高透波，另一方面，增加了下三层预浸料和十字形变形结构，本实施例的带阻透波超材料恰好在带外谐振，产生零陷，从而保证了带外高抑制，呈现了-20dB以下的带阻特性，10GHz时甚至达到-50dB。本实施例的带阻透波超材料针对该电磁波中的Ku波段具有很好的透波性能。此外，TE模和TM模的仿真曲线基本相同，本实施例的带阻透波超材料的透波性能比较稳定。
在图中未示出的实施例中，多个网格状的导电几何结构呈非周期性排布。多层功能层的相邻两层之间可以根据需要相对设置、间隔设置或者错开设置。
优选地，介质层为复合材料或陶瓷材料。优选地，复合材料为热固性材料或者热塑性材料。优选地，复合材料为包含纤维、泡沫和/或蜂窝的一层结构材料或者多层结构材料。优选地，该复合材料含有增强材料，该增强材料为纤维、织物、粒子中的至少一种。一般来说，介质层的介电常数ε应该满足：1≤ε≤5。
根据实施时的具体情况，导电几何结构的厚度可以为1至50微米。优选地，导电几何结构的厚度为10至30微米。更加优选地，导电几何结构的厚度可以为16至20微米。导电几何结构的厚度为16至20微米。所述导电几何结构的宽度为2至6毫米。不同所述功能层之间的导电几何结构线宽不同，如导电几何结构的线宽为20至1000微米。优选地，导电几何结构的线宽为50至500微米。更加优选地，导电几何结构的线宽为100至200微米。
本发明实施例中的天线罩罩设在天线上，与天线具有一定间隔距离或者覆盖在天线上，通过带阻透波超材料的介质层提供的机械强度保护天线，使得天线不受到风雨、冰霜等的损害；以及通过带阻透波超材料采用的包括网格状的导电几何结构，至少部分导电几何结构中设置有导电片的结构，使得天线罩对Ku波段的电磁波具有较高的透射特性，同时对该段频率外的电磁波具有一定的抑制效果。
根据本发明实施例还提供了一种天线系统，该天线系统包括天线和本发明实施例提供的天线罩，该天线罩罩设在天线上。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (32)
1.一种带阻透波超材料，其特征在于，包括：多层功能层，各所述功能层包括介质层（10）和设置在所述介质层（10）上的导电几何结构，所述多层功能层中至少一层功能层的所述导电几何结构包括网格状的导电几何结构，所述网络状导电几何结构的至少部分网络中设置有导电片；
其中该带阻透波超材料的介质层和多个不连通的导电几何结构使得该带阻透波超材料具有这样的介电常数和磁导率：电磁波在通过该带阻透波超材料时，预设频段的电磁波被截止，而其他频段的电磁波穿透该带阻透波超材料。
2.根据权利要求1所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述网格状的导电几何结构呈周期性排布或者非周期性排布。
3.根据权利要求1所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述网格状的导电几何结构为三角形、四边形、五边形、六边形、圆形、椭圆形中至少一种。
4.根据权利要求1所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述网格状的导电几何的网格是封闭的或者开口的。
5.根据权利要求1所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述导电片（10）为三角形、四边形、五边形、六边形、圆形以及椭圆形中至少一种。
6.根据权利要求1所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述导电片与所述网格状的导电几何结构电性隔绝。
7.根据权利要求5所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述网格状的导电几何结构为平面结构。
8.根据权利要求7所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述网格状的导电几何结构的每个网格内均设置有所述导电片。
9.根据权利要求1所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述网格状的导电几何结构为立体结构。
10.根据权利要求9所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述导电片（10）与所述网格状的导电几何结构位于不同的平面。
11.根据权利要求1所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述网格状的导电几何结构包括由直线或者曲线形成的多个导电几何结构，该导电几何结构是十字型、一字型、雪花型、或十字型的变形结构。
12.根据权利要求11所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述导电片与所述网格状的导电几何结构位于同一功能层。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的低通透波超材料，其特征在于，相邻的两层所述功能层之间设有夹层。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的低通透波超材料，其特征在于，所述多层功能层的上表面和下表面上均设有保护层。
15.根据权利要求1所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述多层功能层的相邻两层之间相对设置、间隔设置或者错开设置。
16.根据权利要求1所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述介质层为复合材料或陶瓷材料。
17.根据权利要求16所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述复合材料为热固性材料或者热塑性材料。
18.根据权利要求16所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述复合材料为包含纤维、泡沫和/或蜂窝的一层结构材料或者多层结构材料。
19.根据权利要求16至18任一项所述的带阻透波超材料，其特征在于，该复合材料含有增强材料，该增强材料为纤维、织物、粒子中的至少一种。
20.根据权利要求1所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述导电几何结构的厚度为1至50微米。
21.根据权利要求20所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述导电几何结构的厚度为10至30微米。
22.根据权利要求21所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述导电几何结构的厚度为16至20微米。
23.根据权利要求1所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述导电几何结构的宽度为2至6毫米。
24.根据权利要求1所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述导电几何结构的线宽为20至1000微米。
25.根据权利要求24所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述导电几何结构的线宽为50至500微米。
26.根据权利要求25所述的带阻透波超材料，其特征在于，所述导电几何结构的线宽为100至200微米。
27.根据权利要求1所述的带阻透波超材料，其特征在于，不同所述功能层之间的导电几何结构线宽不同。
28.根据权利要求27所述的带阻透波超材料，其特征在于，不同所述功能层之间的导电几何结构之间的线宽比值范围为：0至0.2。
29.根据权利要求28所述的带阻透波超材料，其特征在于，不同所述功能层之间的导电几何结构之间的线宽比值范围为：0.05至0.1。
30.根据权利要求1所述的频选蒙皮，其特征在于，所述基板的介电常数ε满足：1≤ε≤5。
31.一种天线罩，包括多个两两连接的带阻透波超材料，其特征在于，所述带阻透波超材料为权利要求1至30中任一项所述的带阻透波超材料。
32.一种天线天线系统，其特征在于，包括：天线和权利要求31所述的天线罩，所述天线罩罩设在所述天线上。
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