CN111697333A - 一种超材料天线罩 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超材料天线罩，其包括：介质层，所述介质层设置于天线的电磁波辐射方向；第一超表面层，固设于所述介质层的上表面，所述第一超表面层为周期性的单元结构，每一个单元的所述第一超表面层为正方形结构，且其中部设有正方形环的缝隙，所述第一超表面层用于选择性透过电磁波；第二超表面层，固设于所述介质层的下表面，所述第二超表面层为与所述第一超表面层对应的周期性的单元结构，且每一个单元的所述第二超表面层为正方形的贴片结构，用于调整透波频段和透波效率。本发明涉及的一种超材料天线罩，可以在不影响主瓣电平的同时降低天线副瓣的电平，且较易加工。

Description

一种超材料天线罩
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种超材料天线罩。
背景技术
随着阵列天线技术在通信、雷达等领域内的迅速发展，使得人们对阵列天线的信号传输质量要求也越来越高，其中，副瓣、后瓣的电平水平是衡量阵列天线性能的重要指标，较低的副瓣、后瓣电平可以有效的减少阵列天线辐射电磁波的相互干扰，提高信号俘获效率，改善信噪比。
相关技术中，目前常用的降低副瓣的办法有一下几种：优化辐射源功率配比、优化天线结构，在天线罩上做一些特殊设计；其中，一种利用人工结构材料降低副瓣电平的天线罩，其是采用印刷有环形缝隙的单面覆铜微波介质板，并在每个环形缝隙结构的缝隙中沿横向方向对称添加两个贴片电阻，通过合理选择贴片电阻的阻值大小并设计人工结构材料单元结构尺寸，使得电磁波通过每列结构具有不同的透过率和相同的透射相位，从而实现降低天线副瓣电平的目的。
但是，由于这种天线罩的结构会改变主瓣电磁波的传播方向，导致在降低天线的辐射副瓣电平的同时也极大的降低了主瓣电平，而且添加的贴片电阻尺寸较小加工误差大且不易于加工，增加了工艺的复杂程度，且经费庞大。
因此，有必要设计一种新的天线罩，以降低天线的副瓣电平。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种超材料天线罩，以解决相关技术中在降低副瓣电平的同时会造成主瓣电平降低，且添加的贴片电阻不易加工的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种超材料天线罩，其包括：介质层，所述介质层设置于天线的电磁波辐射方向；第一超表面层，固设于所述介质层的上表面，所述第一超表面层为周期性的单元结构，每一个单元的所述第一超表面层为正方形结构，且其中部设有正方形环的缝隙，所述第一超表面层用于选择性透过电磁波；第二超表面层，固设于所述介质层的下表面，所述第二超表面层为与所述第一超表面层对应的周期性的单元结构，且每一个单元的所述第二超表面层为正方形的贴片结构，用于调整透波频段和透波效率。
一些实施例中，所述第一超表面层和所述第二超表面层沿水平方向重复排列，且每一个整体单元结构的所述第一超表面层和所述第二超表面层的单元边长为2.7～2.9mm。
一些实施例中，所述缝隙的外环尺寸为2.2～2.3mm，内环尺寸为2.0～2.1mm。
一些实施例中，每一个单元的所述第二超表面层的贴片边长为1.35～1.45mm。
一些实施例中，所述第一超表面层和所述第二超表面层通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法分别附着在所述介质层的两侧。
一些实施例中，所述第一超表面层和所述第二超表面层的材料均为铜，电导率均为5.5×107～6×107s/m。
一些实施例中，所述介质层的材料为聚丙烯塑料或SPS塑料，厚度为0.3～3.0mm。
一些实施例中，所述超材料天线罩的作用频率范围包括26.5-27.5GHz。
一些实施例中，所述介质层为所述天线的外壳。
一些实施例中，所述第一超表面层与所述第二超表面层的表面均镀有一层铂。
本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：
本发明实施例提供了一种超材料天线罩，由于在所述介质层的上表面设置了周期性单元结构的所述第一超表面层，且所述第一超表面层为具有缝隙的正方形结构，在所述介质层的下表面设置了周期性单元结构的所述第二超表面层，且所述第二超表面层为正方形的贴片结构，使电磁波信号在垂直入射透过所述超材料天线罩时透波率接近100％，因此，对所述天线的主瓣的增益影响较小，而副瓣由于具有大入射角，使副瓣的透波率降低，从而副瓣的电平降低，且所述第一超表面层、所述第二超表面层均易加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种超材料天线罩的单元结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种超材料天线罩的单元结构的俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的一种超材料天线罩的单元结构的仰视示意图；
图4为本发明实施例提供的一种超材料天线罩的周期性结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种超材料天线罩与27GHz毫米波雷达天线的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种超材料天线罩的透波率示意图；
图7为天线加载和未加载超材料天线罩的二维增益示意图。
图中：1、第一超表面层；11、缝隙；2、介质层；3、第二超表面层；4、天线。
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
本发明实施例提供了一种超材料天线罩，其能解决相关技术中在降低副瓣电平的同时会造成主瓣电平降低，且添加的贴片电阻不易加工的问题。
参见图1所示，为本发明实施例提供的一种超材料天线罩，可以用于毫米波雷达天线4，其包括：介质层2；第一超表面层1，固设于所述介质层2的上表面，用于选择性透过电磁波；第二超表面层3，固设于所述介质层2的下表面，用于调整透波频段和透波效率。
参见图1所示，在一些实施例中，所述介质层2可以是所述雷达天线4的外壳，且可以设置于天线的电磁波辐射方向，所述介质层2的材料可以为聚丙烯塑料或者SPS塑料等，其厚度范围可以是0.3～3mm，将所述雷达天线4的外壳作为所述介质层2，不会额外增加所述雷达的占用体积，具有通用性，本申请实施例中，所述介质层2的材料优选为SPS塑料，且该材料的介电常数为3。
参见图1、图2和图4所示，在一些可选的实施例中，所述第一超表面层1可以为周期性的单元结构，相邻两个单元结构的所述第一超表面层1紧挨设置且沿水平方向呈周期排列，每一个单元的所述第一超表面层1可以均为正方形结构，且其正方形结构的中部可以设有正方形环的缝隙11，每一个单元的所述第一超表面层1的外轮廓边长取值范围可以为2.7～2.9mm，且所述缝隙11的外环尺寸取值可以为2.2～2.3mm，内环尺寸取值可以为2.0～2.1mm，所述第一超表面层1可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述介质层2的上表面，且所述第一超表面层1的金属材料可以为铜，其电导率可以为5.5×107～6×107s/m，其作用的频率可以在26.5-27.5GHz，本申请实施例中，每一个单元的所述第一超表面层1的外轮廓边长尺寸优选为2.8mm，且所述第一超表面层1的外表面可以镀设有一层铂，所述铂的厚度优选为0.06mm，所述缝隙11的外环尺寸优选为2.26mm，内环尺寸优选为2.06mm。
参见图1、图3和图4所示，在一些实施例中，所述第二超表面层3可以为与所述第一超表面层1一一对应的周期性的单元结构，且沿水平方向呈周期排列，每一个单元的所述第二超表面层3均可以为正方形的贴片结构，且每一个单元的所述第二超表面层3的外轮廓尺寸可以小于每一个单元的所述第一超表面层1的外轮廓尺寸，使每一个单元结构的所述第一超表面层1与其对应的所述第二超表面层3作为一个整体单元结构时，其单元边长即为所述第一超表面层1的外轮廓尺寸即2.7～2.9mm；所述第二超表面层3的外轮廓尺寸可以与所述缝隙11的尺寸相近，每一个单元的所述第二超表面层3的贴片边长尺寸可以为1.35～1.45mm，且所述第二超表面层3也可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述介质层2的下表面，所述第二超表面层3的金属材料也可以为铜，其电导率可以为5.5×107～6×107s/m，其作用的频率可以在26.5-27.5GHz，本申请实施例中，所述第二超表面层3的边长尺寸优选为1.4mm，且所述第二超表面层3的外表面可以镀设有一层铂，所述铂的厚度优选为0.06mm。
参见图5所示，在一些可选的实施例中，可以直接将所述第一超表面层1和所述第二超表面层3贴附在雷达天线4的外壳的上下两侧即形成了所述超材料天线罩，所述超材料天线罩的整体厚度优选为2.85mm，且位于天线4的发射方向，与所述天线4平面平行，且所述超材料天线罩与所述天线4表面的距离可以为2mm，所述天线4发射的电磁波信号从所述超材料天线罩透过去，所述超材料天线罩可用于毫米波雷达，且所述超材料天线罩与所述毫米波雷达的工作频率可以在26.5-27.5GHz，参见图7所示，经过软件分析，本申请的所述超材料天线罩对天线4的主瓣的增益影响不大，但是可以使副瓣的增益降低5dB，后瓣降低的增益7dB。
参见图5所示，在一些实施例中，也可以将所述介质层2的厚度设置为0.3mm，将所述第一超表面层1和所述第二超表面层3表面镀铂的厚度设置为0.04mm，并且将所述第二超表面层3的边长尺寸设计为1.5mm，得到另一种尺寸规格的所述超材料天线罩；本申请实施例的所述超材料天线罩对工作频率为27GHZ的同类型天线4均具有相同的作用，参见图6所示，当天线4的工作频率为27GHZ时，所述超材料天线罩的透波率可达99％，几乎不会影响电磁波的传输，且通过对所述超材料天线罩的结构进行等比例缩放及调整，可以将天线4的工作频率拓展到77GHZ，对工作频率为77GHZ的天线4均具有相同的作用效果，实用性强，可以实现作用频段的频移，可对不同频率的天线起作用，由于所述第一超表面层1和所述第二超表面层3均为正方形板状结构，使所述第一超表面层1和所述第二超表面层3较易加工成型，且所述介质层2可以为雷达天线4的外壳，不需重新加工，也没有增加原有雷达的体积，使整个所述超材料天线罩的结构简单，容易加工，且在不影响主瓣电平的同时，可以达到降低副瓣和后瓣电平的效果，从而降低所述天线4接收时的杂波影响，提高所述天线4的扫描精度，且不会改变所述天线4的辐射方向。
本发明实施例提供的一种超材料天线罩的原理为：
由于在所述介质层2的上表面设置了周期性单元结构的所述第一超表面层1，且所述第一超表面层1为具有缝隙11的正方形结构，在所述介质层2的下表面设置了周期性单元结构的所述第二超表面层3，且所述第二超表面层3为正方形的贴片结构，使电磁波信号在垂直入射透过所述超材料天线罩时透波率接近100％，由于所述天线4的主瓣几乎是垂直入射透过所述超材料天线罩的，因此，对所述天线4的主瓣的增益影响较小，而副瓣由于具有大入射角，使副瓣的透波率降低，从而副瓣的电平降低，且由于所述第一超表面层1为中部具有缝隙11的正方形结构，所述第二超表面层3为正方形的贴片结构，使所述第一超表面层1和所述第二超表面层3均较易加工成型。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，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。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种超材料天线罩，其特征在于，其包括：
介质层(2)，所述介质层(2)设置于天线(4)的电磁波辐射方向；
第一超表面层(1)，固设于所述介质层(2)的上表面，所述第一超表面层(1)为周期性的单元结构，每一个单元的所述第一超表面层(1)为正方形结构，且其中部设有正方形环的缝隙(11)，所述第一超表面层(1)用于选择性透过电磁波；
第二超表面层(3)，固设于所述介质层(2)的下表面，所述第二超表面层(3)为与所述第一超表面层(1)对应的周期性的单元结构，且每一个单元的所述第二超表面层(3)为正方形的贴片结构，用于调整透波频段和透波效率。
2.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：
所述第一超表面层(1)和所述第二超表面层(3)沿水平方向重复排列，且每一个整体单元结构的所述第一超表面层(1)和所述第二超表面层(3)的单元边长为2.7～2.9mm。
3.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：
所述缝隙(11)的外环尺寸为2.2～2.3mm，内环尺寸为2.0～2.1mm。
4.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：
每一个单元的所述第二超表面层(3)的贴片边长为1.35～1.45mm。
5.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：
所述第一超表面层(1)和所述第二超表面层(3)通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法分别附着在所述介质层(2)的两侧。
6.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：
所述第一超表面层(1)和所述第二超表面层(3)的材料均为铜，电导率均为5.5×107～6×107s/m。
7.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：
所述介质层(2)的材料为聚丙烯塑料或SPS塑料，厚度为0.3～3.0mm。
8.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：
所述超材料天线罩的作用频率范围包括26.5-27.5GHz。
9.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：
所述介质层(2)为所述天线(4)的外壳。
10.如权利要求1所述的超材料天线罩，其特征在于：
所述第一超表面层(1)与所述第二超表面层(3)的表面均镀有一层铂。
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