CN202487770U - 宽频带超材料天线罩及天线系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及宽频带超材料天线罩及天线系统。超材料天线罩工作在Ku波段，所述超材料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尺寸相同的人造微结构；所述人造微结构包括雪花形结构，所述雪花形结构包括十字形结构以及分别设置在所述十字形结构的四个端点上的四个尺寸相同的一字形结构。本实用新型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。本实用新型的天线罩的工作频带在Ku波段(12-18GHz)之间，且在此频带内的透波效率很高，损耗较小。而且，电磁波带一定角度入射时，仍然具有很好的透波性能。

Description

宽频带超材料天线罩及天线系统

技术领域

本实用新型涉及天线罩，更具体地说，涉及宽频带超材料天线罩及天线系统。 

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。 

目前制备天线罩的材料多采用介电常数和损耗角正切低、机械强度高的材料，如玻璃钢、环氧树脂、高分子聚合物等，材料的介电常数具有不可调节性。结构上多为均匀单壁结构、夹层结构和空间骨架结构等，罩壁厚度的设计需兼 顾工作波长、天线罩尺寸和形状、环境条件、所用材料在电气和结构上的性能等因素，较难达到高透波要求，即使在保证高透射率的条件下也不具备选择性透波功能。而且，天线罩的工作频段较窄，在不同的频段需求下需要更换天线罩，无法实现资源的重复使用，导致资源的浪费以及设备成本的提高。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述透波性能较差且工作频段较窄的缺陷，提供一种宽频带超材料天线罩及天线系统。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种宽频带超材料天线罩，所述超材料天线罩工作在Ku波段，所述超材料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尺寸相同的人造微结构；所述人造微结构包括雪花形结构，所述雪花形结构包括十字形结构以及分别设置在所述十字形结构的四个端点上的四个尺寸相同的一字形结构。 

在本实用新型所述的宽频带超材料天线罩中，每一超材料片层还包括覆盖于所述多个人造微结构上的第二基板。 

在本实用新型所述的宽频带超材料天线罩中，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。 

在本实用新型所述的宽频带超材料天线罩中，每一超材料单元的长和宽均为6mm，所述人造微结构与所述超材料单元的边界之间的距离为0.1mm。 

在本实用新型所述的宽频带超材料天线罩中，所述十字形结构由两条尺寸相同且垂直平分的金属丝构成。 

在本实用新型所述的宽频带超材料天线罩中，所述一字形结构由一条金属丝构成，所述十字形结构垂直平分所述四个一字形结构。 

在本实用新型所述的宽频带超材料天线罩中，所述十字形结构的金属线的线宽为0.2mm。 

在本实用新型所述的宽频带超材料天线罩中，所述一字形结构的金属线的 线宽为0.2mm。 

在本实用新型所述的宽频带超材料天线罩中，所述一字形结构的长度为2.0～2.6mm。 

实施本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：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。可以通过调节人造微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现与空气的阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制。而且本实用新型的天线罩的工作频带在Ku波段(12-18GHz)之间，且在此频带内的透波效率很高，损耗较小。而且，电磁波带一定角度入射时，仍然具有很好的透波性能。 

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中： 

图1是依据本实用新型一实施例的宽频带超材料天线罩的一个超材料片层的结构示意图； 

图2是由多个图1所示的超材料片层堆叠形成的宽频带超材料天线罩的结构示意图； 

图3是依据本实用新型一实施例的超材料片层的结构示意图； 

图4是人造微结构的排布示意图； 

图5是人造微结构的示意图； 

图6是超材料天线罩的S21参数示意图； 

图7是超材料天线罩与空气的阻抗匹配示意图； 

图8-9示出了电磁波入射方向与超材料天线罩平面夹角为30度、45度时的S参数示意图。 

具体实施方式

超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材 料，通过对微结构的有序排列，可以改变空间中每点的相对介电常数和磁导率。超材料可以在一定范围内实现普通材料无法具备的折射率、阻抗以及透波性能，从而可以有效控制电磁波的传播特性。基于人造微结构的超材料天线罩可以通过调节人造微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现与空气的阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射。并可通过调节微结构尺寸进行频率选择，根据需要调整相应透波和滤波频率。 

本实用新型提供了一种超材料天线罩，包括至少一个超材料片层1，如图1和图2所示。每个超材料片层1包括两个相对设置的基板和附着在两基板之间的阵列排布的人造微结构。当超材料片层1有多个时，各个超材料片层1沿垂直于片层的方向叠加，并通过机械连接、焊接或粘合的方式组装成一体，如图2所示。通常，在能够满足性能的情况下，一个超材料片层就可以作为超材料天线罩来使用。阵列排布的人造微结构所在平面与电磁波的电场和磁场方向平行，与入射电磁波传播方向垂直。超材料片层1中的第一基板10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人造微结构。 

图3示出了超材料片层的结构示意图(透视图)。超材料片层1包括两块相同的均匀等厚的片状基板：相对设置的第一基板10和第二基板20，所述第一基板10的面向第二基板20的表面上附着有阵列排布的人造微结构30。超材料片层1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。在本实用新型一实施例中，以两个基板为例进行说明，但是在实际设计时，也可以仅采用第一基板，而人造微结构阵列排布在第一基板10上，同样能够达到本实用新型的目的。 

如图4-5所示，每一超材料单元的长和宽均为a＝6mm，人造微结构30与超材料单元的边界之间的距离为w2＝0.1mm。每一人造微结构30包括雪花形结构，雪花形结构包括十字形结构31以及分别设置在所述十字形结构的四个端点上的四个尺寸相同的一字形结构32。十字形结构31由两条尺寸相同且垂直平分的金属丝构成。一字形结构32由一条金属丝构成，十字形结构31垂直平分四个一字形结构32。十字形结构31和一字形结构32的金属线的线宽w1＝0.2mm。一字形结构的长度为b＝2.0～2.6mm。 

在本实用新型一实施例中，一字形结构的长度为b＝2.4mm。第一基板10和第二基板20的厚度均为2mm，人造微结构30的厚度为0.018mm。十字形结构31的金属线的长度为2c+w1＝2*2.6+0.2＝5.4mm。此处的数值仅为示例，在实际应用中，可以依据实际需求进行调整，本实用新型对此不作限制。 

在本实用新型一实施例中，第一基板10和第二基板20由F4B或FR4复合材料制得。第一基板10和第二基板20之间通过填充液态基板原料或者通过组装相互连接在一起。人造微结构30通过蚀刻的方式附着在第一基板10上，当然人造微结构30也可以采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式附着在第一基板10或第二基板20上。第一基板10和第二基板20也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。人造微结构30采用铜线制成，当然也可以采用银线、ITO、石墨或者碳纳米管等导电材料制成。附图中示意的天线罩的形状为平板状，在实际设计时也可以根据实际需求来设计天线罩的形状，比如可以设计成圆球状或者与天线形状匹配的形状(共形的天线罩)等，也不排除使用多个平板状结构拼接成需要的形状，本实用新型对此不作限制。 

本实施例的超材料天线罩的S参数随频率变化的示意图如图6所示，所用第一基板10和第二基板20为F4B复合材料。由图6可以看到，本实用新型的技术方案在基板上附着人造微结构后S21参数在12GHz时，S21参数为-0.35428dB，在18GHz时，S21参数为-0.13954dB。从图中可知，在Ku波段12-18GHz范围内S21参数基本上都大于-0.35dB，采用本实用新型的天线罩具有良好的透波性能，损耗较小。通过对纯F4B板与加了人造微结构的F4B板进行对比，可以得出加了人造微结构的F4B板比纯F4B板的透波性能高很多，非常适合做透波天线罩。 

图7示出了超材料天线罩与空气的阻抗匹配示意图，可以看出，在13.47GHz时，阻抗η的实部re(η)接近于1，其虚部im(η)接近于0。12-18GHz范围内的阻抗与空气匹配极佳。 

图8-9示出了电磁波入射方向与超材料天线罩平面的夹角为30度、45度时的S参数示意图。可以看出，夹角为30度时，在12GHz和18GHz时的S21 参数分别为-0.3547dB、-0.37303dB，在12-18GHz范围内，S21参数基本上都大于-0.37dB，与垂直入射时相差很小。同样的，夹角为45度时，在12GHz和18GHz时的S21参数分别为-0.32131dB、-0.93705dB，在12-18GHz范围内，S21参数基本上与垂直入射时相差不大。也就是说，本实用新型提供的超材料天线罩对电磁波的入射角度不加限制，对较大范围的入射角仍然具有很好的透波性能。 

本实用新型还提供一种天线系统，包括天线本体，以及如上文所述的宽频带超材料天线罩，宽频带超材料天线罩与天线本体间隔预设距离。天线本体包括辐射源、馈电单元等，具体构成可参阅相关技术资料，本实用新型对此不作限制。天线本体可以是例如但不限于平板天线。 

本实用新型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。可以通过调节人造微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现与空气的阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制。而且本实用新型的天线罩的工作频带在Ku波段(12-18GHz)之间，且在此频带内的透波效率很高，损耗较小。而且，电磁波带一定角度入射时，仍然具有很好的透波性能。 

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型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实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。 

Claims (10)

1.一种宽频带超材料天线罩，其特征在于，所述超材料天线罩工作在Ku波段，所述超材料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尺寸相同的人造微结构；所述人造微结构包括雪花形结构，所述雪花形结构包括十字形结构以及分别设置在所述十字形结构的四个端点上的四个尺寸相同的一字形结构。

2.根据权利要求1所述的宽频带超材料天线罩，其特征在于，每一超材料片层还包括覆盖于所述多个人造微结构上的第二基板。

3.根据权利要求1所述的宽频带超材料天线罩，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3所述的宽频带超材料天线罩，其特征在于，每一超材料单元的长和宽均为6mm，所述人造微结构与所述超材料单元的边界之间的距离为0.1mm。

5.根据权利要求4所述的宽频带超材料天线罩，其特征在于，所述十字形结构由两条尺寸相同且垂直平分的金属丝构成。

6.根据权利要求5所述的宽频带超材料天线罩，其特征在于，所述一字形结构由一条金属丝构成，所述十字形结构垂直平分所述四个一字形结构。

7.根据权利要求6所述的宽频带超材料天线罩，其特征在于，所述十字形结构的金属线的线宽为0.2mm。

8.根据权利要求7所述的宽频带超材料天线罩，其特征在于，所述一字形结构的金属线的线宽为0.2mm。

9.根据权利要求8所述的宽频带超材料天线罩，其特征在于，所述一字形结构的长度为2.0～2.6mm。

10.一种天线系统，其特征在于，包括天线本体以及如权利要求1～9任一项所述的宽频带超材料天线罩，所述宽频带超材料天线罩与天线本体间隔预设距离。

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