CN109638448A - 一种超材料天线罩及天线系统 - Google Patents

Abstract

一种超材料天线罩及天线系统，涉及超材料技术领域。超材料天线罩包括层叠设置的两层介质基板，和层叠位于两层介质基板之间的第一金属层，第一金属层与每层介质基板之间分别层叠设置有第二金属层，第一金属层与每层第二金属层之间还分别层叠设置有第一夹芯层，第一金属层具有多个相同且间隔分布的镂空，第二金属层主要由多个相同的金属贴片组成，第二金属层的每个金属贴片与第一金属层的镂空一一对应。天线系统包括天线本体和上述的超材料天线罩，超材料天线罩与天线本体间隔设置。本发明的目的在于提供一种超材料天线罩及天线系统，其透波和吸波一体化，实现工作频带内高效透波，工作频带外吸波的目的。

Description

一种超材料天线罩及天线系统

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，具体而言，涉及一种超材料天线罩及天线系统。

背景技术

超材料是一种人工电磁功能材料，其基本组成单元是介于宏观与微观之间的介观微结构。一般情况下，天线系统都会设置天线罩，天线罩的作用是保护天线系统免收风雨、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。由于超材料的特殊性，将超材料应用于天线罩时，天线罩可以在己方雷达工作频段内具有带通传输特性，降低天线系统的雷达散射截面(RadarCross section，缩写RCS)，从而不影响天线系统的正常工作性能；而在己方雷达工作频段之外，天线罩具有“全反射”(金属化)特性，结合适当的外形设计，可以将敌方雷达探测波统一规避到非威胁方位，有效缩减正前方的RCS。

传统天线罩超材料的微结构通常采用单屏嵌套结构，可以实现工作频带内带通传输特性，但是其最大的缺点是工作带宽不宽，并且无截止特性，对于某些应用场合要求宽带选频极严格陡峭的截止，这种超材料不能满足应用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超材料天线罩及天线系统，其透波和吸波一体化，实现工作频带内高效透波，工作频带外吸波的目的。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，提供一种超材料天线罩，其包括层叠设置的两层介质基板，和层叠位于两层介质基板之间的第一金属层，第一金属层与每层介质基板之间分别层叠设置有第二金属层，第一金属层与每层第二金属层之间还分别层叠设置有第一夹芯层，第一金属层具有多个相同且间隔分布的镂空，第二金属层主要由多个相同的金属贴片组成，第二金属层的每个金属贴片与第一金属层的镂空一一对应。

上述技术方案中，超材料天线罩包括依次层叠设置的介质基板、第二金属层、第一夹芯层、第一金属层、第一夹芯层、第二金属层、介质基板，第一金属层和附着于第一金属层两侧的第二金属层组成频率选择层，第一金属层的镂空对应第二金属层的金属贴片，即第一金属层和第二金属层互补，第一金属层的镂空与两层第二金属层对应的金属贴片组成多次反射谐振点支撑的带通，这种多层金属层的结构，显著增加谐振点个数，过渡带的陡峭程度增加，实现在天线罩工作频带内电磁波的高效透射，同时有效截止带外的电磁波，适用于在某个工作频段内高效透过且在工作频段外吸波的应用场合。其中，第一夹芯层能够分隔第一金属层和第二金属层，而且通过控制第一夹心层的厚度可以控制天线罩工作频带范围。

在一种可能的实施方式中，每层介质基板与相邻的第二金属层之间均设置有第二夹芯层；可选的，第二夹芯层的厚度小于或等于 15mm。

上述技术方案中，通过控制第一夹心层和第二夹心层的厚度可以控制天线罩工作频带范围，第二夹芯层的厚度小于或等于15mm，可以控制超材料天线罩的工作频带范围为常用的工作频带2～18GHz。

在一种可能的实施方式中，介质基板的厚度小于或等于5mm；和/或，第一夹芯层的厚度小于或等于10mm。

上述技术方案中，通过第一夹心层和通过控制第一夹心层和第二夹心层的厚度可以控制天线罩工作频带范围，第一夹芯层的厚度小于或等于10mm，可以控制超材料天线罩的工作频带范围为常用的工作频带2～18GHz。

在一种可能的实施方式中，介质基板的材质为高分子复合材料，高分子复合材料包括树脂基体和增强纤维，可选的，树脂基体包括环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂、氰酸酯树脂、聚氨酯树脂中的一种或几种；增强纤维包括玻璃纤维、石英纤维、kevlar纤维、玄武岩纤维中的一种或几种；和/或，介质基板的介电常数为 2.35(1-j0.01)～4.0(1-j0.01)。

上述技术方案中，所选树脂基体均属于热固性树脂，综合树脂的热固性以及介电损耗考虑，优选出上述几种树脂类型，以降低介质基板的介电损耗。所选增强纤维同样具有介电损耗低的特点，与上述同样具有介电损耗低特点的树脂基体共同制备本实施例中的介质基板，可较普通常用的介质基板明显降低介电损耗。

在一种可能的实施方式中，第一夹芯层的材质选自蜂窝材料和泡沫材料中的一种；可选的，第一夹芯层的材质选自芳纶纸蜂窝、PMI 泡沫、PVC泡沫、PET泡沫中的一种。

上述技术方案中，设置第一夹芯层的作用是：吸波蜂窝与吸波泡沫均具有良好的吸波性能，因此，采用蜂窝材料或泡沫材料制作的第一夹芯层具有良好的吸波性能。

在一种可能的实施方式中，第一金属层和第二金属层的材质为金属铜；和/或，第一金属层和第二金属层的电导率为5.5×10⁷～6×10⁷s/m。

上述技术方案中，之所以选择铜，一方面由于铜的价格适中，另一方面其电导率较高，比较适合制作天线罩。

在一种可能的实施方式中，镂空为多边形；相应的，金属贴片为多边形；可选的，镂空为正多边形，每个镂空的周围围绕有与镂空边数相同个数的镂空；相应的，金属贴片为正多边形，每个金属贴片的周围围绕有与金属贴片边数相同个数的金属贴片。

上述技术方案中，镂空和金属贴片为多边形，能够增加显著增加谐振点个数；镂空和金属贴片为正边形，能减少截止漏波。

在一种可能的实施方式中，镂空为正六边形，每个镂空周围环绕着六个镂空；相应的，金属贴片为正六边形，每个金属贴片周围环绕着六个金属贴片。

上述技术方案中，第一金属层中的镂空的中心与第二金属层中对应的金属贴片的中心介质基板的同一条垂线上。镂空和金属贴片为正六边形，一方面，该形状的金属贴片具有极化不敏感特性，另一方面，便于通过调节六边形的边长及宽度以调控频率选择表面层所具有的频率选择特性。

在一种可能的实施方式中，镂空的边长为3-6mm，相邻两个镂空之间的第二金属层宽度为0.2-1.0mm；相应的，金属贴片的边长为 3-6mm，相邻两个金属贴片之间的间隙宽度为0.2-1.0mm。

上述技术方案中，超材料天线罩的透波隐身的频段一般为 1-18GHz，而正六边形的边长和相邻两个正六边形之间的间距决定了透射波段，本实施例限制正六边形的边长和相邻两个正六边形之间的间距以保证超材料天线罩在这个频段内工作。

第二方面，提供一种天线系统，其包括天线本体和上述的超材料天线罩，超材料天线罩与天线本体间隔设置。

上述技术方案中，超材料天线罩隔绝天线本体组成天线系统，从而实现在天线罩工作频带内电磁波的高效透射，外界的电磁波传输至天线本体或天线本体发射的电磁波传输出去；同时有效截止带外的电磁波，外界的电磁波无法传输至天线本体或天线本体发射的电磁波无法传输出去。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的超材料天线罩的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的超材料天线罩的分解结构示意图；

图3为图2中的第一金属层和第二金属层的结构示意图；

图4为图2中第一金属层的结构示意图；

图5为图2中第二金属层的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的超材料天线罩的实测传输曲线。

图标：100-超材料天线罩；110-第一金属层；111-镂空；120-第一夹芯层；130-第二金属层；131-金属贴片；140-第二夹芯层；150- 介质基板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1和图2，本实施例提供一种超材料天线罩100，其包括层叠设置的两层介质基板150，和层叠位于两层介质基板150之间的第一金属层110，第一金属层110与每层介质基板150之间分别层叠设置有第二金属层130，第一金属层110与每层第二金属层130之间还分别层叠设置有第一夹芯层120，每层介质基板150与相邻的第二金属层130之间均设置有第二夹芯层140，第一金属层110具有多个相同且间隔分布的镂空111，第二金属层130主要由多个相同的金属贴片131组成，相邻两个金属贴片131之间存在间隙，第二金属层 130的每个金属贴片131与第一金属层110的镂空111一一对应。

上述技术方案中，超材料天线罩100包括介质结构层、夹芯层和频率选择表面层，其中，介质结构层包括两层介质基板150，夹芯层包括两层第一夹芯层120和两层第二夹芯层140，频率选择表面层包括单层第一金属层110和两层第二金属层130。两层介质基板150分别位于表层和底层，第一夹芯层120附着在第一金属层110和第二金属层130之间，第二夹芯层140附着在介质基板150邻近第一金属贴片131的一侧，两层第二金属层130分别附着在第一金属层110的两侧。

需要说明的是，金属贴片131与镂空111可以相同，(金属贴片 131与镂空111的形状、大小相同)，也可以不同(金属贴片131与镂空111的形状相同，大小不同)；金属贴片131与镂空111一一对应是指金属贴片131与镂空111相互平行且在同一平行面上的投影完全重合或等比例重合。

在实际应用中，两层介质基板150的厚度和材料可以相同，也可以不同，作为一个实施例，两层介质基板150的厚度和材料均相同。

本实施例对介质基板150的材质和介电常数不做具体限定，满足实际使用需求即可。可选的，介质基板150的材质可以为高分子复合材料，高分子复合材料包括树脂基体和增强纤维，进一步可选的，树脂基体包括环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂、氰酸酯树脂、聚氨酯树脂中的一种或几种；增强纤维包括玻璃纤维、石英纤维、kevlar纤维、玄武岩纤维中的一种或几种。可选的，介质基板150的介电常数为2.35(1-j0.01)～4.0(1-j0.01)。作为一个示例，介质基板150 的材质均为石英纤维/乙烯基酯复合材料，介电常数均为2.35(1-j0.01)。

本实施例对介质基板150的厚度不做具体限定，能够满足实际使用需求即可。可选的，介质基板150的厚度小于或等于5mm，作为一个示例，介质基板150的厚度为1.0mm。

在实际应用中，两层第一夹芯层120的材质和厚度可以均相同，两层第二夹芯层140的材质和厚度可以均相同，第一夹芯层120和第二夹芯层140的材质或厚度可以相同，也可以不同。作为一个示例，第二夹芯层140和厚度大于第一夹芯层120的厚度。

本实施例对第一夹芯层120和第二夹芯层140的厚度不做特别限定，可以是任何能起到分隔连接作用、且不影响电磁波传输的材质即可。可选的，第一夹芯层120或第二夹芯层140的材质可以选自蜂窝材料和泡沫材料中的一种；进一步可选的，第一夹芯层120或第二夹芯层140的材质可以选自芳纶纸蜂窝、PMI泡沫、PVC泡沫、PET 泡沫中的一种。作为一个示例，第一夹芯层120和第二夹芯层140 均为PMI泡沫板。

本实施例对第一夹芯层120和第二夹芯层140的厚度不做具体限定，能够满足实际使用需求即可。可选的，第一夹芯层120的厚度小于或等于10mm，第二夹芯层140的厚度小于或等于15mm。作为一个示例，第一夹芯层120的厚度均为2mm，第二夹芯层140的厚度均为10mm。

在实际应用中，两层第二金属层130的材质和厚度相同，第一金属层110和第二金属层130的材质和厚度可以相同，也可以不同。作为一个示例，第一金属层110和第二金属层130的材质和厚度均相同。

本实施例对第一金属层110和第二金属层130的材质和电导率不做具体限定，可以是任何容易导电的金属材质，第一金属层110和第二金属层130的材质可以为金属金、银、铜；第一金属层110和第二金属层130的电导率可以为5.5×10⁷～6×10⁷s/m。作为一个示例，第一金属层110和第二金属层130的材质均为金属铜，电导率为 5.8×10⁷s/m。

参见图3至图5所示，本实施例对第一金属层110的镂空111和第二金属层130的金属贴片131的形状不做具体限定，镂空111和金属贴片131能一一对应即可。可选的，镂空111为多边形；相应的，金属贴片131为多边形，比如为矩形、正方形、五边形。作为一个示例，镂空111为正六边形，每个镂空111周围环绕着六个镂空111；相应的，金属贴片131为正六边形，每个金属贴片131周围环绕着六个金属贴片131。

本实施例对镂空111和金属贴片131的大小和间距不做具体限定，能够满足实际使用需求即可。可选的，镂空111的边长a2为 3-6mm，相邻两个镂空111之间的第二金属层130宽度b2为 0.2-1.0mm；相应的，金属贴片131的边长a1为3-6mm，相邻两个金属贴片131之间的间隙宽度b1为0.2-1.0mm。作为一个示例，金属贴片131的边长a1为5mm，相邻两个金属贴片131之间的间隙宽度 b1为0.6mm；镂空111的边长a2为4mm，相邻两个镂空111之间的第二金属层130宽度b2为0.4mm。

以下对本实施例的超材料天线罩100的透射和截止性能进行检测。

按照GJB7954-2012雷达透波材料透波率测试方法进行检测，图 6为本发明实施例提供的超材料天线罩100的实测曲线。

由图6可知，该超材料天线罩100在7.5-10GHz频带范围内，插损小于0.5dB，同时保证在2GHz的过渡频带之外插损小于-10dB，从而实现了吸波透波一体化。

第二实施例

本实施例提供一种天线系统，其包括天线本体和上述的超材料天线罩100，超材料天线罩100与天线本体间隔设置。

本实施例中，天线本体可以包括但不限于需要发射或接收特定波段发射电磁波的设备，比如辐射源、馈电单元等。

综上所述，本发明实施例的超材料天线罩及天线系统的透波和吸波一体化，实现工作频带内高效透波，工作频带外吸波的目的。

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 (10)

1.一种超材料天线罩，其特征在于，其包括层叠设置的两层介质基板，和层叠位于所述两层介质基板之间的第一金属层，所述第一金属层与每层所述介质基板之间分别层叠设置有第二金属层，所述第一金属层与每层所述第二金属层之间还分别层叠设置有第一夹芯层，所述第一金属层具有多个相同且间隔分布的镂空，所述第二金属层主要由多个相同的金属贴片组成，所述第二金属层的每个所述金属贴片与所述第一金属层的所述镂空一一对应。

2.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，每层所述介质基板与相邻的所述第二金属层之间均设置有第二夹芯层；可选的，所述第二夹芯层的厚度小于或等于15mm。

3.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述介质基板的厚度小于或等于5mm；和/或，所述第一夹芯层的厚度小于或等于10mm。

4.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述介质基板的材质为高分子复合材料，所述高分子复合材料包括树脂基体和增强纤维，可选的，所述树脂基体包括环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂、氰酸酯树脂、聚氨酯树脂中的一种或几种；所述增强纤维包括玻璃纤维、石英纤维、kevlar纤维、玄武岩纤维中的一种或几种；和/或，所述介质基板的介电常数为2.35(1-j0.01)～4.0(1-j0.01)。

5.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述第一夹芯层的材质选自蜂窝材料和泡沫材料中的一种；可选的，所述第一夹芯层的材质选自芳纶纸蜂窝、PMI泡沫、PVC泡沫、PET泡沫中的一种。

6.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层的材质为金属铜；和/或，所述第一金属层和所述第二金属层的电导率为5.5×10⁷～6×10⁷s/m。

7.根据权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于，所述镂空为多边形；相应的，所述金属贴片为多边形；可选的，所述镂空为正多边形，每个所述镂空的周围围绕有与所述镂空边数相同个数的所述镂空；相应的，所述金属贴片为正多边形，每个所述金属贴片的周围围绕有与所述金属贴片边数相同个数的所述金属贴片。

8.根据权利要求7所述的超材料天线罩，其特征在于，所述镂空为正六边形，每个所述镂空周围环绕着六个所述镂空；相应的，所述金属贴片为正六边形，每个所述金属贴片周围环绕着六个所述金属贴片。

9.根据权利要求8所述的超材料天线罩，其特征在于，所述镂空的边长为3-6mm，相邻两个镂空之间的第二金属层宽度为0.2-1.0mm；相应的，所述金属贴片的边长为3-6mm，相邻两个所述金属贴片之间的间隙宽度为0.2-1.0mm。

10.一种天线系统，其特征在于，其包括天线本体和如权利要求1至9中任一项所述的超材料天线罩，所述超材料天线罩与所述天线本体间隔设置。