CN107834194A

CN107834194A - 滤波天线罩

Info

Publication number: CN107834194A
Application number: CN201710968105.XA
Authority: CN
Inventors: 贺增林; 何树权; 熊飞
Original assignee: XIAN TIANHE DEFENCE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: XIAN TIANHE DEFENCE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2018-03-23
Anticipated expiration: 2037-10-18
Also published as: CN107834194B

Abstract

本公开提供了一种滤波天线罩，该滤波天线罩包括：滤波组件，所述滤波组件包括介质层以及位于所述介质层外表面或内表面的相对设置的两个超构结构体；各所述超构结构体均包括：基板，具有相对的第一表面和第二表面；多个第一谐振器，阵列排布于所述第一表面，且各所述第一谐振器包括一第一谐振体微结构；多个第二谐振器，阵列排布于所述第二表面，且各所述第二谐振器包括一第二谐振体微结构；其中，每一所述第二谐振器与一所述第一谐振器相对且相互耦合。本公开可以实现对工作频带内电磁波的高效率透射和工作频带外电磁波的高效反射。

Description

滤波天线罩

技术领域

本发明涉及天线罩技术领域，尤其涉及一种滤波天线罩。

背景技术

超构材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。严格意义上，超构材料是一种单元尺度远小于工作波长的人工周期结构，在长波条件下，具有等效介电常数和等效磁导率，该电磁参数主要依赖于其基本组成单元的谐振特性。因而，可以通过改变基本组成单元的几何形状、尺寸以及排布方式等，来改变超构材料空间电磁参数的分布，使其产生预期的电磁响应，来灵活控制电磁波的传播。由于其具有高效的电磁调控特性，超构材料在电磁屏蔽、电磁兼容、隐身、探测等多个领域具有广阔的应用前景。

天线罩设置在基站天线上方，用于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，改变了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。

传统频率选择表面的滤波特性主要基于其谐振机理，工作波长依赖于单元周期，倍频区域的传输特性相同。对带通型频率选择表面而言，高频段倍频处的电磁波均呈现高通透特性。然而随着移动互联网络的飞速发展，低频通讯资源几乎完全被利用，就使得不同通讯系统间的电磁干扰日趋加剧，尤其是倍频干扰，已严重影响了正常的通讯。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种滤波天线罩，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本发明的一个方面，提供一种滤波天线罩，包括：

滤波组件，所述滤波组件包括介质层以及位于所述介质层外表面或内表面的相对设置的两个超构结构体；各所述超构结构体均包括：

基板，具有相对的第一表面和第二表面；

多个第一谐振器，阵列排布于所述第一表面，且各所述第一谐振器包括一第一谐振体微结构；

多个第二谐振器，阵列排布于所述第二表面，且各所述第二谐振器包括一第二谐振体微结构；其中，每一所述第二谐振器与一所述第一谐振器相对且相互耦合。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一谐振体微结构包括：

第一金属膜片，设置为中心具有一个第一结构和四个第二结构组成的镂空结构的正方形，且镂空结构与所述正方形同中心轴；其中，

所述第一结构，设置为由第一条形结构和第二条形结构形成的正交十字结构；

四个所述第二结构，旋转对称分布于所述正交十字结构形成的四个象限内。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第二结构设置为直角弯折结构，且各所述第二结构均在所在的象限内与所述第一结构的一直角边垂直连接。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一条形结构与所述第二条形结构的宽度相同，所述直角弯折结构两直角边宽度相同，且所述第一条形结构与所述第二条形结构的宽度大于所述直角弯折结构两直角边的宽度。

在本公开的一种示例性实施例中，第一条形结构和第二条形结构的长度相同，所述直角弯折结构与所述第一条形结构或所述第二条形结构垂直连接的直角边长度大于另一直角边。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一条形结构和第二条形结构的长度小于所述正方形的边长。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第二谐振体微结构包括：

第二金属膜片，设置为由第三条形结构和第四条形结构形成的正交十字结构；

四个第三金属膜片，设置为正方形，且对称分布于所述正交十字结构形成的四个象限内。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第二金属膜片与所述第一金属膜片同中心轴，且所述第三条形结构及第四条形结构的长度大于所述第一条形结构及第二条形结构的长度。

在本公开的一种示例性实施例中，相邻的两个所述第三金属膜片之间的距离小于所述正交十字镂空结构的宽度。

在本公开的一种示例性实施例中，所述基板为聚四氟乙烯板。

本公开一种示例性实施例提供的一种滤波天线罩，一方面，通过位于介质层的内表面或外表面的超构结构体调节介电常数和磁导率，使得电磁波在通过具有该超构结构体的天线罩时，达到对工作频带内电磁波的高效率透射和对工作频带外电磁波的高效反射，尤其是对倍频区域的电磁波的高效反射；另一方面，该滤波天线罩结构简单，易于制备，进而也降低了制作成本。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开示例性实施例中滤波天线罩的结构示意图；

图2为本公开示例性实施例中超构结构体的示意图；

图3为本公开示例性实施例中超构材料的结构示意图；

图4为本公开示例性实施例中超构结构体的第一表面的结构示意图；

图5为本公开示例性实施例中第一谐振体微结构的示意图；

图6为本公开示例性实施例中超构结构体的第二表面的结构示意图；

图7为本公开示例性实施例中第二谐振体微结构的示意图；

图8是超构结构体的透射系数S₂₁和反射系数S₁₁随电磁波频率变化的响应仿真曲线。

图中主要元件附图标记说明如下：

1、介质层；

2、超构结构体；

21、基板；

22、第一谐振器；

23、第二谐振器；

221、第一谐振体微结构；

231、第二谐振体微结构；

3、超构材料；

4、超构材料周期单元；

6、天线罩。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

本示例性实施例中，提供了一种应用超构材料制成的滤波天线罩，所述天线罩为可以应用于移动通讯、WiFi等的基站天线罩，可以通过改变超构材料表面的谐振体微结构形状来调制超构材料的介电常数，以满足实际应用环境对电磁响应的需求。参照图1所示，该滤波天线罩可以包括：

滤波组件，所述滤波组件包括介质层1以及位于所述介质层1外表面或内表面的相对设置的两个超构结构体2；各所述超构结构体2均包括：

基板21，具有相对的第一表面和第二表面；

多个第一谐振器22，阵列排布于所述第一表面，且各所述第一谐振器22包括一第一谐振体微结构221；

多个第二谐振器23，阵列排布于所述第二表面，且各所述第二谐振器23包括一第二谐振体微结构231；其中，每一所述第二谐振器22与一所述第一谐振器23相对且相互耦合。

本示例实施方式中，所述滤波组件可以包括介质层1以及位于所述介质层1外表面或内表面的相对设置的两个超构结构体2，从而实现滤波功能。所述介质层1可以选择成本较低且可以起到承重作用的材料，例如，可以采用PVC(聚氯乙烯)材料，但本示例性实施例中的介质层 1的材料不限于此。所述介质层1在没有附加超构结构体2时，可以用于保护基站天线免受环境的影响。所述介质层1的厚度可以根据对机械性能的需求确定，本示例实施方式中，介质层1采用PVC(聚氯乙烯) 材料时，该PVC介质层1的厚度可以为0.3mm。需要注意的是，本示例实施方式中对介质层1的材料和厚度均不作特殊限定。所述超构结构体2可以通过粘合在PVC介质层1的外表面，也可以粘合在PVC介质层1的内表面，还可以通过热压技术内嵌于所述介质层1的内部。

本示例性实施方式中，所述基板21可由聚四氟乙烯等高分子聚合物制成，当然也可以采用其他材料制成，比如FR-4、陶瓷、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。基板21可以具有相对的第一表面和第二表面。在本示例实施方式中，基板21可以设置为正方形的板，第一表面和第二表面可以为正方形板的两个相对且面积较大的表面。基板2的结构形态还可以设置为长方形、梯形或其他形状，本示例实施方式中对基板2的材料和形态均不作特殊限定。

所述第一谐振器22和第二谐振器23均可以为采用导电材料制成，例如，金属(如、铜、银等)、石墨、碳纳米、ITO(掺锡氧化铟)等。同理，所述第二谐振器23可以采用导电材料制成，例如，金属(如、铜、银等)、石墨、碳纳米、ITO(掺锡氧化铟)等。

参考图2所示，所述超构结构体2可以包括具有相对的第一表面和第二表面基板21，包括阵列排布于所述第一表面的第一谐振体微结构 221的多个第一谐振器22，以及阵列排布于所述第二表面的第二谐振体微结构231的多个第二谐振器23；其中，每一第一谐振器22与每一第二谐振器23正对，且第一谐振体微结构221与每一第二谐振体微结构 231相对且相互耦合。

第一谐振器22和第二谐振器23通常为金属线例如铜线或者银线构成的具有一定拓扑形状的平面或立体结构，其中，金属线的截面可以为圆柱状、扁平状，也可以为其他形状。所述第一谐振体微结构221和第二谐振体微结构231可以通过一定的加工工艺附着在所述基板21的第一表面或第二表面上，例如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等。所述第一表面和第二表面上的谐振体微结构可以互换，例如第二谐振体微结构231可以阵列排布在所述基板21的第一表面，第一谐振体微结构221可以阵列排布在所述基板21的第二表面。

参考图3所示的超构材料的结构示意图，位于同一虚拟单元格内的第一谐振体微结构221与第二谐振体微结构231组成一对金属微结构，同时可以将每一对金属微结构及其所在的与所述虚拟单元格对应部分的基板21称为一个超构材料单元4，所述超构材料3即可看作由多个超构材料周期单元4紧密周期排列而成，所述超构材料单元4的各边长均等于虚拟单元格的边长，且两相邻超构材料单元4的中心间距也等于虚拟单元格的边长。

参照图4所示的超构结构体2的第一表面的结构示意图。多个第一谐振器22可以阵列排布于所述第一表面，且各所述第一谐振器22可以包括一个第一谐振体微结构221。在本示例实施方式中，相邻的第一谐振体微结构221相互连接，即上下左右相邻的第一谐振体微结构221之间没有间隙。另外，本领域技术人员可以理解的是，第一谐振体微结构221之间也可以设置有间隙，此处不做特殊限定。图3中所示的每一第一谐振微结构221所在的虚拟单元格的边长为L₁，L₁＝5.9mm。

本示例实施方式中，图5示出了第一表面的第一谐振体微结构221 的结构示意图。第一谐振体微结构221可以包括第一金属膜片，所述第一金属膜片可以设置为一个具有不规则镂空结构的正方形贴片，所述正方形贴片的边长均为L₃，L₃＝5.72mm。所述镂空结构可以由一个第一结构和四个第二结构组成，其中，第一结构为由第一条形结构和第二条形结构形成的正交十字形结构，正交十字形结构的长度均为L₃， L₃＝5.32mm，略小于正方形的边长，宽度均为W₂，W₂＝1.2mm；构成第一结构的第一条形结构和第二条形结构的长度相同且宽度相同，即第一条形结构和第二条形结构通过所述正方形的中心轴垂直连接。

四个第二结构分别以正交十字形结构的四个端点为起点，沿顺时针或沿逆时针方向设置的相同几何尺寸的镂空结构，且旋转对称分布于由所述正交十字结构形成的四个象限内。第一结构和四个第二结构形成的镂空结构与所述正方形同中心轴，并且十字形结构的方向平行于对应的正方形贴片的边。

进一步地，所述第二结构可以设置为直角弯折结构，例如L形结构，每个直角弯折结构两个直角边的长度分别为L₅、L₆，L₅＝2.0mm， L₆＝0.5mm，直角弯折结构两个直角边的宽度均为W₃，W₃＝0.2mm。各象限内的直角弯折结构均按照顺时针或者逆时针方向与正交十字形结构在该象限内的直角边垂直连接。所述弯折结构两个直角边的宽度相同，并且所述直角弯折结构两直角边的宽度小于所述正交十字形结构的宽度。直角弯折结构中两直角边的长度可以不同，并且与所述第一结构的第一条形结构或者第二条形结构垂直连接的直角边的长度大于另一直角边，即直角弯折结构较长的直角边垂直于所述第一结构的第一条形结构或者第二条形结构，直角弯折结构较短的直角边平行于所述第一结构的第一条形结构或者第二条形结构。

参考图6所示的第二表面的第二谐振体微结构231的结构示意图。多个第二谐振器23阵列排布于所述第二表面，且各所述第二谐振器23 包括一个第二谐振体微结构231，每一所述第二谐振器23与一所述第一谐振器22相对且相互耦合。在本示例实施方式中，相邻的第二谐振体微结构231之间设有间隙。本领域技术人员可以理解的是，相邻的第二谐振体微结构231之间也可以相互连接，不设置有间隙，此处不做特殊限定。

本示例实施方式中，参考图7所示，每一第二谐振体微结构231所在的虚拟单元格的边长为为L₁，L₁＝5.9mm，与第一谐振体微结构221 所在的虚拟单元格的边长相同，以保证第一谐振体微结构221与第二谐振体微结构231正对。第二谐振体微结构231可以包括一个第二金属膜片，所述第二金属膜片可以设置为由第三条形结构和第四条形结构形成的正交十字形结构，正交十字形结构的长度为L₁，与虚拟单元格的边长相同，宽度为W₁，W₁＝0.4mm；第二谐振体微结构231还包括四个第三金属膜片，四个第三金属膜片为四个边长均为L₂，L₂＝2.36mm的小正方形贴片结构，分别设置于该正交十字形结构所划分的四个象限内，且四个正方形贴片结构的两边与对应象限虚拟单元格的边重合。第二金属膜片与四个第三金属膜片之间可以形成具有预设宽度的直角弯折间隙，也可以相互连接。

进一步地，相邻的两个所述第三金属膜片之间的距离为1.18mm，小于所述正交十字镂空结构的宽度W₂。

上述数值均为本示例实施方式中各参数的具体取值，而不是对各参数的限定，本发明的其他示例实施方式中各参数的取值可以根据需要选择合适的数值。

参照图8所示的超构结构体的透射系数S₂₁和反射系数S₁₁随电磁波频率变化的响应仿真曲线示意图。在该仿真中，滤波天线罩中的介质层 1采用PVC材料(聚氯乙烯)，该介质层1的厚度为3mm；第一谐振器22以及第二谐振器23所采用的金属膜片均为铜膜片，铜膜片的厚度约为0.018mm，其电导率约为5.8×10⁷S/m，基板21的介电常数为 2.65(1-j0.001)。由图8可知，所述滤波天线罩样品在2.48～2.63GHz频段的电磁波的具有较高的透射率，在大约3.06～9.81GHz频段内，电磁波反射率均超过90％，在大约3.98～7.23GHz频段内，反射率超过99％，在大约4.85～5.97GHz频段内，反射率超过99.9％，高效屏蔽高频区域电磁波的干扰，而在5.2GHz附近，几乎呈现类似金属的反射，完美抑制了倍频电磁波的干扰。

本发明所述的滤波天线罩，设置有两个相对的超构结构体，而且每一超构结构体包括相对且相互耦合的多个第一谐振器和多个第二谐振器，通过位于介质层的内表面或外表面的超构结构体的多个第一谐振器和多个第二谐振器的耦合作用，调节介电常数和磁导率，达到对工作频带内的高效透波，而对工作频带外宽频段的高效反射，实现高效滤波功能；实现对倍频电磁波的高效反射。因此，使用本发明所述的滤波天线罩可以很好的实现对倍频电磁波的滤波功能，而且结构简单，通过光刻技术或电路板印刷技术形成于基板的表面，因此易于制备，进而也降低了制作成本。

上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。

本说明书中使用“约”“大约”的用语通常表示在一给定值或范围的 20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内。在此给定的数量为大约的数量，意即在没有特定说明的情况下，仍可隐含“约”“大约”“大致”“大概”的含义。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“前”“后”“左”“右”等也作具有类似含义。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/ 等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims

1.一种滤波天线罩，其特征在于，包括：

基板，具有相对的第一表面和第二表面；

2.根据权利要求1所述的滤波天线罩，其特征在于，所述第一谐振体微结构包括：

3.根据权利要求2所述的滤波天线罩，其特征在于，所述第二结构设置为直角弯折结构，且各所述第二结构均在所在的象限内与所述第一结构的一直角边垂直连接。

4.根据权利要求3所述的滤波天线罩，其特征在于，所述第一条形结构与所述第二条形结构的宽度相同，所述直角弯折结构两直角边宽度相同，且所述第一条形结构与所述第二条形结构的宽度大于所述直角弯折结构两直角边的宽度。

5.根据权利要求3所述的滤波天线罩，其特征在于，第一条形结构和第二条形结构的长度相同，所述直角弯折结构与所述第一条形结构或所述第二条形结构垂直连接的直角边长度大于另一直角边。

6.根据权利要求3所述的滤波天线罩，其特征在于，所述第一条形结构和第二条形结构的长度小于所述正方形的边长。

7.根据权利要求3-6任一项所述的滤波天线罩，其特征在于，所述第二谐振体微结构包括：

8.根据权利要求7所述的滤波天线罩，其特征在于，所述第二金属膜片与所述第一金属膜片同中心轴，且所述第三条形结构及第四条形结构的长度大于所述第一条形结构及第二条形结构的长度。

9.根据权利要求7所述的滤波天线罩，其特征在于，相邻的两个所述第三金属膜片之间的距离小于所述正交十字镂空结构的宽度。

10.根据权利要求1所述的滤波天线罩，其特征在于，所述基板为聚四氟乙烯板。