CN105071036B - X波段智能超材料大角度透波天线罩 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种X波段智能超材料大角度透波天线罩，包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一基板和阵列排布在所述第一基板上的多个人造微结构；所述人造微结构为镂空的三个同心田字形结构，且所述每个田字形结构的外框四角位置实体相接。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，使得基于超材料的天线罩的透波性能增强，抗干扰能力增加。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线罩，更具体地说，涉及一种X波段智能超材料大角度透波天线罩。
背景技术
超材料，俗称超材料，是一种新型人工合成材料，是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。
一般来说，如：波导填充传统介质材料后，由于传输波数的改变，可截至波数又由波导的结构尺寸所确定，所以，波导填充介质后会产生次高模甚至高次模的干扰。再之，填充介质后，由于阻抗的不匹配，将会产生反射波，这在大功率微波系统中尤为明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种X波段智能超材料大角度透波天线罩，以解决上述问题至少一个方面。
根据本发明的一方面，提供一种X波段智能超材料大角度透波天线罩，包括少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一基板和阵列排布在所述第一基板上的多个人造微结构；所述人造微结构为镂空的三个同心田字形结构。
所述每个田字形结构的外框四角位置实体相接。
在本发明的一些实施方式中，所述超材料片层中的第一基板可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上排布有一个所述人造微结构。
在本发明的一些实施方式中，每一超材料单元的长和宽为6mm。
在本发明的一些实施方式中，三个同心田字形结构包括两条垂直交叉的空心槽、第一田字边框槽、第二田字边框槽、第三田字边框槽，所述空心槽的长度为5.4mm，第一田字边框槽的边长为5.2mm，第二田字边框槽的边长为5mm，第三田字边框槽的边长为4.8mm。
在本发明的一些实施方式中，三个同心田字形结构中间的槽间隔均为0.2mm。
在本发明的一些实施方式中，单层基板厚度为2mm，单层金属微结构厚度为0.018mm。
在本发明的一些实施方式中，基板材料为Arlon AD250，其相对介电常数2.5，磁导率为1.0，损耗角正切为0.0018。
在本发明的一些实施方式中，每个单元设有5层基板，5层基板中间夹金属微结构，多层基板结构能更好的保护微结构，避免其在外界恶劣条件下腐蚀，确保天线罩的介电性能。其中，5层基板总厚度为2*5+0.018*4＝10.072mm。
本发明的有益效果是：本发明具有不同的超材料微结构，通过相关金属线涂层的电磁响应特征来改变各个空间点的介电常数，使超材料介质填充处的电磁响应特征与空气相近。所以，这种超材料也称之为“固态空气”。超材料的引入，减少了微波系统由于引入传统介质后特性阻抗不匹配所引起的衰减，从而减小反射、提高传输效率。有效遏制了高次模的干扰，简化对其进行场分析的计算量，以便人们更加顺利地、精确地计算出场分布并顺利加以利用。
附图说明
图1是人造微结构单元的示意图；
图2是由多个基板及人造微结构堆叠形成的超材料天线罩的结构示意图；
图3是超材料天线罩垂直入射下的S参数示意图；
图4是超材料天线罩0-60°入射角下垂直和水平极化的S参数示意图；
图5是与超材料天线罩等厚度0-60°入射角下垂直和水平极化的纯材料S
参数示意图；
图6是超材料片层的拆分结构示意图；
图7是5*5微结构阵列形式的示意图；
图8是人造微结构单元的尺寸示意图；
图9是人造微结构单元外框四角位置实体相接的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1-9中，一种X波段智能超材料大角度透波天线罩，包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一基板和阵列排布在所述第一基板上的多个人造微结构；所述人造微结构为镂空的三个同心田字形结构，且所述每个田字形结构的外框四角位置实体相接。所述超材料片层中的第一基板可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上排布有一个所述人造微结构。
在本发明的一些实施方式中，每一超材料单元的长和宽为6mm。
在本发明的一些实施方式中，三个同心田字形结构包括两条垂直交叉的空心槽、第一田字边框槽、第二田字边框槽、第三田边框槽，所述空心槽的长度为5.4mm，第一田字边框槽的边长为5.2mm，第二田字边框槽的边长为5mm，第三田字边框槽的边长为4.8mm。
在本发明的一些实施方式中，三个同心田字形结构中间的槽间隔均为0.2mm。
在本发明的一些实施方式中，单层基板厚度为2mm单层金属微结构厚度为0.018mm。
在本发明的一些实施方式中，基板材料为Arlon AD250(聚四氟乙烯)，其相对介电常数2.5，磁导率为1.0，损耗角正切为0.0018。
在本发明的一些实施方式中，每个天线罩设有5层基板，5层基板中间夹金属微结构，多层基板结构能更好的保护金属微结构，避免其在外界恶劣条件下腐蚀，确保天线罩的介电性能。其中，5层基板总厚度为2*5+0.018*4＝10.072mm。
图3中，S1,1S2,1传输线电路仿真的S参数结果，S1,1是回波损耗，
S2，1是插入损耗，超宽频透波需要在所需频段内的低插入损耗介质。
图4、图5中，从以上仿真和数据图中可以明显看出，加入金属微结构后0-60度角入射的S21比纯板材的S21小很多，说明在X波段8-12GHz加入智能超材料微结构的板材透波性能提高很多，特别是在大角入射情况下，损耗相对稳定，能保持较高的透波率，在制作透波天线罩方面有很大的优势。
并且由于采用了多层匹配结构，使空气与智能超材料天线罩匹配更好，能够在8-12GHz波段有良好的透波率,垂直入射均在90％以上，大角度入射也有70％-80％。比单纯的板材好许多。
本发明通过设计不同的超材料微结构，通过相关金属线涂层的电磁响应特征来改变各个空间点的介电常数，使超材料介质填充处的电磁响应特征与空气相近。所以，我们把这种超材料也叫做“固态空气”。超材料的引入，减少了微波系统由于引入传统介质后特性阻抗不匹配所引起的衰减，从而减小反射、提高传输效率。有效遏制了高次模的干扰，简化对其进行场分析的计算量，以便人们更加顺利地、精确地计算出场分布并顺利加以利用。
在一些应用场合，常常会需要微波损耗极小的介质材料。例如雷达罩、天线罩；利用介质窗片来分隔大气与微波管的真空系统；分隔大气与填充等离子体微波管的充气系统；分隔大气与高压充气波导系统；在一些水负载中利用密封介质片来分隔大气与水等。采用本发明的技术方案能够满足上述场合下的需求。
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 (5)
1.一种X波段智能超材料大角度透波天线罩，其特征在于：包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一基板和阵列排布在所述第一基板上的多个人造微结构；所述人造微结构为镂空的三个同心田字形结构；
三个同心田字形结构包括两条垂直交叉的空心槽、第一田字边框槽、第二田字边框槽、第三田字边框槽，所述空心槽的长度为5.4mm，第一田字边框槽的边长为5.2mm，第二田字边框槽的边长为5mm，第三田字边框槽的边长为4.8mm；
单层基板厚度为2mm，单层金属微结构厚度为0.018mm；
基板材料为聚四氟乙烯,其相对介电常数2.5，磁导率为1.0，损耗角正切为0.0018；
每一超材料单元的长和宽为6mm；
三个同心田字形结构中间的槽间隔均为0.2mm；
天线罩采用了多层匹配结构，使空气与智能超材料天线罩匹配更好，能够在8-12GHz波段有良好的透波率,垂直入射均在90％以上，大角度入射有70％-80％。
2.根据权利要求1所述的X波段智能超材料大角度透波天线罩，其特征在于，所述每个田字形结构的外框四角位置实体相接。
3.根据权利要求1所述的X波段智能超材料大角度透波天线罩，其特征在于，所述超材料片层中的第一基板可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上排布有一个所述人造微结构。
4.根据权利要求1所述的X波段智能超材料大角度透波天线罩，其特征在于，每个天线罩设有5层基板，5层基板中间夹金属微结构，5层基板结构可保护金属微结构，防止被腐蚀，确保天线罩的介电性能。
5.根据权利要求4所述的X波段智能超材料大角度透波天线罩，其特征在于：5层基板总厚度为10.072mm。
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