CN104934720B - 低通透波超材料、天线罩及天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低通透波超材料、天线罩及天线系统。其中，低通透波超材料包括一功能层，所述功能层包括：介质层，该介质层具有相对且平行的第一表面和第二表面；设置在第一表面上的至少一个片状结构，该片状结构包括由导电材料制成的导电区域。本发明的技术方案有效地解决了对天线工作频段外的电磁波抑制效果不好的问题。

Description

低通透波超材料、天线罩及天线系统

技术领域

本发明涉及透波材料技术领域，具体而言，涉及一种低通透波超材料、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。

针对现有技术中对天线工作频段外的电磁波抑制效果不好的问题，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低通透波超材料、天线罩及天线系统，以解决对天线工作频段外的电磁波抑制效果不好的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种低通透波超材料，包括一功能层，所述功能层包括：介质层，该介质层具有相对且平行的第一表面和第二表面；和设置在第一表面上的至少一个片状结构，该片状结构包括由导电材料制成的导电区域，其中该低通透波超材料的介质层和片状结构使得该低通透波超材料具有这样的介电常数和磁导率：使得电磁波在通过该低通透波超材料时，工作频段的电磁波穿透该低通透波超材料，而高于工作频段的电磁波被截止。

此外，本发明还提供了一种天线罩和一种天线系统。

应用本发明的技术方案，低通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片状结构，多层功能层中至少一层功能层的片状结构包括一个或多个导电片。将片状结构置于介质层上，多层功能层中至少一层功能层的片状结构包括一个或多个导电片，这样能够调节低通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低通透波超材料时，工作频段的电磁波能高效率穿透，有效地截止高于工作频段的电磁波，从而解决了天线罩对工作频段外的电磁波抑制效果不好的问题，进而达到了增强对工作频段外的电磁波的抑制的效果。

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低通透波超材料的实施例一的主视示意图；以及

图2示出了图1的低通透波超材料的侧视示意图；

图3示出了图1的低通透波超材料的S21参数仿真曲线示意图；

图4示出了根据本发明的低通透波超材料的实施例二的主视示意图；

图5示出了图4的低通透波超材料在电磁波入射角为0°时，TE模的频率响应仿真图；

图6示出了图4的低通透波超材料在电磁波入射角为10°时，TE模的频率响应仿真图；

图7示出了图4的低通透波超材料在电磁波入射角为20°时，TE模的频率响应仿真图；

图8示出了图4的低通透波超材料在电磁波入射角为30°时，TE模的频率响应仿真图；

图9示出了图4的低通透波超材料在电磁波入射角为0°时，TM模的频率响应仿真图；

图10示出了图4的低通透波超材料在电磁波入射角为10°时，TM模的频率响应仿真图；

图11示出了图4的低通透波超材料在电磁波入射角为20°时，TM模的频率响应仿真图；

图12示出了图4的低通透波超材料在电磁波入射角为30°时，TM模的频率响应仿真图；

图13示出了根据本发明的低通透波超材料的实施例三中的第一结构层的主视示意图；

图14示出了根据本发明的低通透波超材料的实施例三中的第二结构层的主视示意图；

图15示出了根据本发明的低通透波超材料的实施例三的侧视示意图；以及

图16示出了图15的低通透波超材料的S21参数仿真曲线示意图。

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。

如图1所示，实施例一的低通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上的片状结构，该片状结构包括由导电材料制成的导电区域。图1示出了多层功能层中按照实施例一的一层功能层。在实施例一中，该层功能层的片状结构包括由导电材料制成的导电区域，此外还包括形成在该导电区域内的环形非导电区域。换句话说，该片状结构为矩形镂空环结构11。

应用实施例一的技术方案，多层功能层中至少一层功能层包括一个或多个片状结构，这样能够调节低通透波超材料的介电常数和磁导率，可以使得电磁波通过实施例一的低通透波超材料时，工作频段的电磁波能高效率穿透，有效地截止高于工作频段的电磁波，从而解决了天线罩对工作频段外的电磁波抑制效果不好的问题，进而达到了增强对工作频段外的电磁波的抑制的效果。

实施例一的低通透波超材料能够对L波段的电磁波起到了很好的透波作用。矩形镂空环结构11可以使用任意金属材料制成，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。当然，实施例一中的片状结构也可以为其他形状的镂空结构，比如圆形镂空环结构或椭圆形镂空环结构，镂空的环形非导电区域也可以包括多个环形非导电区域。这些环形非导电区域彼此不相交或重叠。

为了进一步扩大实施例一的低通透波超材料所能够透过的电磁波的波段，如图2所示，介质层10具有相对的两个表面，所述两个表面上均设置有所述片状结构，即方形镂空环结构11。介质层10优选为正方形。

在实施例一中，各结构参数如下：介质层10的相对介电常数为2.8，厚度为6mm，长度和宽度均为5.3mm；方形镂空单环结构11的外边缘的长度和宽度为2.5mm，内边缘的长度和宽度为2.3mm，厚度为0.018mm，也就是说，片状结构的厚度为0.018mm，方形镂空环结构11由液态银制成。

图3示出了实施例一的低通透波超材料的S21参数仿真曲线示意图。如图3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。电磁波照射到实施例一的仿真结果示出，电磁波的损耗S21的透波率值不仅在L波段内基本接近0dB，而且在频段8.5GHz内都基本接近0dB，表示电磁波透波率很高。实现了对低频的电磁波透射的性能要求。

如图4所示，在实施例二的低通透波超材料与实施例一的区别在于，在实施例二中，片状结构为矩形环。这样，实施例二的低通透波超材料同样能够提高L波段的电磁波的透波率，此外，当电磁波的入射角度为0°至30°度时，实施例二的低通透波超材料对4至18GHz波段内的电磁波会产生抑制作用，防止4至18GHz波段内的电磁波透过实施例二的低通透波超材料。

如图4所示，在实施例二中，片状结构为矩形环12。这样，使得L波段的电磁波的透波性能更稳定。

如图4所示，在实施例二中，矩形环12为四个，四个矩形环12彼此间隔设置。当然，方形环12的数量不限于四个，可以根据现场需要具体确定。此外，为了方便将片状结构设置在介质层10上，先将片状结构附在softH层上，softH层相当于片状结构的载体，再将softH层设置在介质层10以实现片状结构设置在介质层10上。介质层10优选为FR4基板。优选地，片状结构设置在两层介质层10之间。矩形环12由铜制成。

在实施例二中，各结构参数如下：介质层10的长度和宽度均为4.5mm，厚度为0.9mm，相对介电常数为3.15，损耗正切值为0.005；方形环12的厚度为0.018mm，方形环12的外边长为4.1mm，内边长为3.3mm，也就是说，方形环12的宽度为0.4mm；四个方形环12呈矩阵状排布，相邻两个方形环12的间距为0.4mm；softH层的相对介电常数为3.2，厚度为0.025mm。实施例二的低通透波超材料的总厚度为1.843mm。

图5至图8示出了实施例二的低通透波超材料在电磁波入射角为0°至30°时的TE模的S11和S21参数仿真曲线示意图。

图9至图12示出了实施例二的低通透波超材料在电磁波入射角为0°至30°时的TM模的S11和S21参数仿真曲线示意图。

在图5至图12中，图中横轴为天线的工作频率，纵轴为S11和S21参数。其中天线的工作频率的单位为GHz，S11和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）辐射到实施例二中的低通滤波超材料时的S11和S21参数仿真结果。在图5至图12中，S11参数为图中示出的从左向右的第一根曲线，S21参数为图中示出的从左向右的第二和第三根曲线。

从上述图中可以看出，S21（透波率值）在L波段的数值很高，在4至18GHz波段的数值很低；S11（反射波值）在L波段的数值很低，在4至18GHz波段的数值很高，也就是说，4至18GHz波段的电磁波基本被实施例二的低通透波超材料反射回去了。上述数据表明，实施例二的低通透波超材料对L波段的电磁波具有很高的透波性能，对4至18GHz波段内的电磁波会产生很强的抑制作用。此外，由于TE模和TM模的曲线走势基本相同，因此，实施例二的低通透波超材料的透波性能比较稳定。

如图13和图14所示，实施例三的低通透波超材料与实施例二的区别在于，在实施例三中，功能层为三层，其中第一层功能层的片状结构为矩形片。第二和第三功能层的片状结构为直线形成的十字型的变形结构。第一层功能层位于第二和第三功能层之间。十字型的变形结构包括导电条21以及与导电条21相交的导电条22，上述结构使得不论电磁波的入射角度为多少，实施例三的低通透波超材料能够对L波段的电磁波起到透波作用，同时对L波段之外的电磁波产生抑制作用。

如图13所示，在实施例三中，第一层功能层的导电片为矩形片13。这样，增强了对L波段之外的电磁波的抑制作用。

如图14所示，在实施例三中，导电条21的中部与导电条22的中部相连接。这样，能够对L波段之外的电磁波起到更好的抑制作用。当然，作为可行的实施方式，也可以将导电条21的一个端部与导电条22的中部或一个端部连接。

如图14所示，在实施例三中，片状结构还包括两个导电条23和两个导电条24。两个导电条23与导电条21的两端一一对应连接。两个导电条24与导电条22的两端一一对应连接。这样，提高了对L波段的电磁波的透波性能。

如图14所示，在实施例三中，各导电条23均与导电条22平行，各导电条24均与导电条21平行。这样，对L波段的电磁波起到了更好的透波作用。

如图14所示，在实施例三中，各导电条23的中部与导电条21连接，各导电条24的中部与导电条22连接。这样，对L波段的电磁波起到更好的透波作用。优选地，各导电条23与各导电条24的长度相等。

如图14所示，在实施例三中，导电条21与导电条22相垂直。这样，对L波段之外的电磁波具有更强的抑制作用。当然，作为可行的实施方式，导电条21与导电条22可以形成小于90°的夹角。优选地，导电条21与导电条22的长度相等。

如图14所示，在实施例三中，导电条21与导电条22一体成型，第二和第三功能层的片状结构的各部分厚度相等。也就是说，导电条21与导电条22相连接处的厚度与其他部分的厚度相等。这样，节省了片状结构所使用的金属材料，降低了生产成本。

如图15所示，低通透波超材料的各结构的叠层次序依次为：十字型的变形结构、介质层10、矩形片13、介质层10以及十字型的变形结构。此外，为了方便将十字型的变形结构和矩形片13设置在介质层10上，先将十字型的变形结构和矩形片13分别附在softH层上，softH层相当于十字型的变形结构和矩形片13的载体，再将softH层设置在介质层10上。介质层10优选为FR4基板。十字型的变形结构和矩形片13均由铜制成。

为了保护第二层和第三层功能层，实施例三的低通透波超材料还包括两层保护板30，如图15所示，实施例三的低通透波超材料的各结构的叠层次序依次为：保护板30、十字型的变形结构、介质层10、矩形片13、介质层10、十字型的变形结构以及保护板30。保护板30优选为FR4基板。作为可行的实施方式，相邻的两层功能层之间可以设有夹层，夹层优选为泡沫。

在实施例三中，各结构参数如下：介质层10的长度和宽度均为14mm，厚度为0.8mm，相对介电常数为3.15，损耗正切值为0.005；十字型的变形结构和矩形片13的厚度均为0.018mm，矩形片13的长度和宽度均为10.4mm，也就是说，矩形片13的长度和宽度均为10.4mm；softH层的相对介电常数为3.2，厚度为0.025mm；保护板30的长度和宽度均为14mm，厚度为0.12mm，相对介电常数为3.15，损耗正切值为0.005；实施例三的低通透波超材料的总厚度为1.972mm。

如图16所示，图中横轴为天线的工作频率，纵轴为S11和S21参数。其中天线的工作频率的单位为GHz，S11和S21参数的单位为dB。S11参数为图中示出的从左向右的第一根曲线，S21参数为图中示出的从左向右的第二根曲线。从图16中可以看出，实施例三的低通透波超材料能够使L波段的电磁波透过，而且损耗度低，同时，能够抑制4至18GHz波段内的电磁波。通过计算可得，L波段的电磁波的S21的平均值为-0.4769dB，4-18GHz波段内的电磁波的S21的平均值为-12.7570dB。

作为可行的实施方式，实施例三的第二和第三功能层的片状结构可以为直线或者曲线形成的十字型、环状、一字型、雪花型或十字型的变形结构。优选地，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。不同功能层之间片状结构的导电区域的宽度的比值可以介于0到0.2之间。优选地，不同功能层之间片状结构的导电区域的宽度的比值可以介于0.05到0.1之间。

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，片状结构的导电区域的厚度可以为1至50微米。优选地，所述片状结构的导电区域的厚度为10至30微米。更加优选地，所述片状结构的导电区域的厚度可以为16至20微米。片状结构的宽度可以为2至6毫米。所述片状结构的导电区域的宽度可以为20至1000微米。优选地，所述片状结构的导电区域的宽度为50至500微米。更加优选地，片状结构的导电区域的宽度为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，通过低通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；以及通过低通透波超材料采用的包括一个或多个导电片，使得天线罩对L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，其中，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 (20)

1.一种低通透波超材料，包括第一功能层，所述第一功能层包括：

介质层，该介质层具有相对的第一表面和第二表面；和

设置在第一表面上的至少一个片状结构，该片状结构包括由导电材料制成的导电区域，

所述低通透波超材料还包括分别叠置在所述第一表面一侧和所述第二表面一侧的第二功能层和第三功能层，所述第二功能层和第三功能层均包括介质层和设置在该介质层上的至少一个片状结构；

其中，第一功能层位于第二功能层和第三功能层之间；所述第一功能层的片状结构为矩形片，所述第二功能层和第三功能层的片状结构均为直线形成的十字型的变形结构；

其中所述低通透波超材料的介质层和片状结构使得所述低通透波超材料具有这样的介电常数和磁导率：使得电磁波在通过所述低通透波超材料时，工作频段的电磁波穿透所述低通透波超材料，而高于工作频段的电磁波被截止；其中，所述低通透波超材料对4-11GHz频段内的电磁波产生抑制作用。

2.根据权利要求1所述的低通透波超材料，其中，相邻的两层所述功能层之间设有夹层。

3.根据权利要求1～2任何一项所述的低通透波超材料，其中，所述功能层的上表面和下表面上均设有保护层。

4.根据权利要求1所述的低通透波超材料，其中，所述介质层的材质为复合材料或陶瓷材料。

5.根据权利要求4所述的低通透波超材料，其中，所述复合材料为热固性材料或者热塑性材料。

6.根据权利要求4所述的低通透波超材料，其中，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。

7.根据权利要求4所述的低通透波超材料，其中，所述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。

8.根据权利要求1所述的低通透波超材料，其中，所述片状结构的导电区域的厚度为1至50微米。

9.根据权利要求8所述的低通透波超材料，其中，所述片状结构的导电区域的厚度为10至30微米。

10.根据权利要求9所述的低通透波超材料，其中，所述片状结构的导电区域的厚度为16至20微米。

11.根据权利要求1所述的低通透波超材料，其中，所述片状结构的宽度为2至6毫米。

12.根据权利要求1所述的低通透波超材料，其中，所述片状结构的导电区域的宽度为20至1000微米。

13.根据权利要求12所述的低通透波超材料，其中，所述片状结构的导电区域的宽度为50至500微米。

14.根据权利要求13所述的低通透波超材料，其中，所述片状结构的导电区域的宽度为100至200微米。

15.根据权利要求1所述的低通透波超材料，其中，不同所述功能层之间所述片状结构的导电区域的宽度不同。

16.根据权利要求15所述的低通透波超材料，其中，不同所述功能层之间所述片状结构的导电区域的宽度的比值介于0到0.2之间。

17.根据权利要求16所述的低通透波超材料，其中，不同所述功能层之间所述片状结构的导电区域的宽度的比值介于0.05到0.1之间。

18.根据权利要求1所述的低通透波超材料，其中，所述介质层的介电常数ε满足：1≤ε≤5。

19.一种天线罩，包括权利要求1～18中任何一项所述的低通透波超材料。

20.一种天线系统，包括：天线和权利要求19所述的天线罩，所述天线罩罩设在所述天线上。