專利名稱：超材料微波天線罩和天線系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及天線罩，更具體地說，涉及超材料微波天線罩和天線系統。
背景技術：
超材料，俗稱超材料，是一種新型人工合成材料，是由非金屬材料制成的基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內部的多個人造微結構構成的。基板可以虛擬地劃分為矩形陣列排布的多個基板單元，每個基板單元上附著有人造微結構，從而形成一個超材料單元，整個超材料是由很多這樣的超材料單元組成的，就像晶體是由無數的晶格按照一定的排布 構成的。每個超材料單元上的人造微結構可以相同或者不完全相同。人造微結構是由金屬絲組成的具有一定幾何圖形的平面或立體結構，例如組成圓環形、工字形的金屬絲等。由于人造微結構的存在，每個超材料單元具有不同于基板本身的電磁特性，因此所有的超材料單元構成的超材料對電場和磁場呈現出特殊的響應特性；通過對人造微結構設計不同的具體結構和形狀，可以改變整個超材料的響應特性。一般情況下，天線系統都會設置有天線罩。天線罩的目的是保護天線系統免受風雨、冰雪、沙塵和太陽輻射等的影響，使天線系統工作性能比較穩定、可靠。同時減輕天線系統的磨損、腐蝕和老化，延長使用壽命。但是天線罩是天線前面的障礙物，對天線輻射波會產生吸收和反射，改變天線的自由空間能量分布，并在一定程度上影響天線的電氣性能。目前制備天線罩的材料多采用介電常數和損耗角正切低、機械強度高的材料，如玻璃鋼、環氧樹脂、高分子聚合物等，材料的介電常數具有不可調節性。結構上多為均勻單壁結構、夾層結構和空間骨架結構等，罩壁厚度的設計需兼顧工作波長、天線罩尺寸和形狀、環境條件、所用材料在電氣和結構上的性能等因素，在保護天線免受外部環境影響的條件下不具備增強天線方向性和提高天線增益的功能，透波性能較差。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述透波性能較差，不能提高天線增益的缺陷，提供一種超材料微波天線罩和天線系統。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是構造一種超材料微波天線罩，所述超材料微波天線罩罩設于天線上，包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括基板和陣列排布在所述基板的兩相對表面的多個人造微結構；所述基板由HDPE材料制成；所述基板可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元的兩相對表面上分別排布有一個人造微結構，每一人造微結構的尺寸相同；所述人造微結構包括緊貼所述超材料單元邊緣的口字形結構以及位于所述超材料單元中心的方形貼片。在本發明所述的超材料微波天線罩中，所述超材料片層還包括覆蓋于所述基板的兩相對表面的保護層。在本發明所述的超材料微波天線罩中，所述口字形結構由具有預設線寬的金屬絲構成。
在本發明所述的超材料微波天線罩中，所述方形貼片為方形金屬貼片。在本發明所述的超材料微波天線罩中，每一超材料單元的長和寬均為10_。在本發明所述的超材料微波天線罩中，所述基板的厚度為4mm，所述人造微結構的厚度為0. 018mm。在本發明所述的超材料微波天線罩中，所述方形貼片的邊長為5 6mm。在本發明所述的超材料微波天線罩中，所述超材料微波天線罩的工作頻率范圍為
7.I 8. 5GHz。在本發明所述的超材料微波天線罩中，所述方形貼片的邊長為6mm，所述口字形結構的線寬為0. 2mm。本發明還提供一種天線系統，包括天線，以及如上所述的超材料微波天線罩，所述超材料微波天線罩罩設于天線上。實施本發明的技術方案，具有以下有益效果通過在基板上附著特定形狀的人造微結構，得到需要的電磁響應，使得基于超材料的天線罩的透波性能增強，抗干擾能力增力口。可以通過調節人造微結構的形狀、尺寸，來改變材料的相對介電常數、折射率和阻抗，從而實現與空氣的阻抗匹配，以最大限度的增加入射電磁波的透射，減少了傳統天線罩設計時對材料厚度和介電常數的限制。而且本發明的天線罩透波效率很高，損耗較小。而且，微波天線加上天線罩后，天線的輻射能力得到了加強，有效提高了增益，輻射方向性增強。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖I是依據本發明一實施例的超材料微波天線罩的一個超材料片層的結構示意圖；圖2是由多個圖I所示的超材料片層堆疊形成的超材料微波天線罩的結構示意圖；圖3是依據本發明一實施例的超材料片層的立體示意圖；圖4是圖3所示的超材料片層的立體透視示意圖；圖5是超材料片層上附著的人造微結構排布示意圖；圖6是人造微結構的示意圖；圖7是超材料微波天線罩的S參數仿真結果示意圖；圖8是依據本發明一實施例的天線系統的整體結構示意圖。
具體實施例方式超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構材料，通過對微結構的有序排列，可以改變空間中每點的相對介電常數和磁導率。超材料可以在一定范圍內實現普通材料無法具備的折射率、阻抗以及透波性能，從而可以有效控制電磁波的傳播特性。基于人造微結構的超材料天線罩可以通過調節人造微結構的形狀、尺寸，來改變材料的相對介電常數、折射率和阻抗，從而實現與空氣的阻抗匹配，以最大限度的增加入射電磁波的透射，提高電磁波輻射的方向性，提高天線的增益。本發明提供了一種超材料微波天線罩，包括至少一個超材料片層1，如圖I和圖2所不。每個超材料片層I包括基板10和附著在基板10上的陣列排布在基板10的兩相對表面的多個人造微結構20。當超材料片層I有多個時，各個超材料片層I沿垂直于片層的方向疊加，并通過機械連接、焊接或粘合的方式組裝成一體，如圖2所示。例如采用3層基板，兩層人造微結構間隔排布在3層基板之間，另兩層人造微結構分布排布在3層基板貼合后的兩個外表面。本發明對超材料片層的具體數量不做限制，可依據不同的增益需求來調節超材料層數，從而控制天線增益。通常，在能夠滿足性能的情況下，一個超材料片層就可以作為超材料微波天線罩來使用。陣列排布的人造微結構所在平面與電磁波的電場和磁場方向平行，與入射電磁波傳播方向垂直。超材料片層I中的基板10可劃分為多個超材料單元。如圖3-5所示，每一超材料單兀上的兩相對表面上分別排布有一個人造微結構20。在本發明一實施例中，每一超材料單元的長和寬為b= 10_。圖中所示的超材料單元的劃分個數僅為示意,并不作為對本發明的限制。圖3是超材料片層的立體圖，基板10的兩表面上均規律排布有相同的人造微結構20 ;圖4是圖3所示的超材料片層的透視圖，可以看出，基板10的兩個相對表面均排布一層人造微結構20,每一超材料單兀上的兩相對表面上分別排布有相同的人造微結構20,排布方式如圖5所示。在本發明一實施例中，為了保護人造微結構不受損壞，超材料片層I還包括兩層保護層(未示出)，覆蓋于基板10的兩相對表面，用于保護基板10的兩個相對表面上的人造微結構。保護層的材質可以是與基板10相同或不同的透波性能好的材料，也可以是涂覆層，只要能夠保護人造微結構不受損壞即可。如圖6所示，人造微結構20包括緊貼超材料單元邊緣的口字形結構21以及位于超材料單元中心的方形貼片22。在本發明一實施例中，每一人造微結構20的尺寸相同。口字形結構21由具有預設線寬的金屬絲構成，方形貼片22為方形金屬貼片。預設線寬w例如但不限于0. 05 0. 3mm,方形貼片22的邊長a為5 6mm。在本發明一實施例中，預設線寬w為0. 2mm,方形貼片22的邊長a為6mm。基板10的厚度均為4mm，人造微結構20的厚度為0. 018mm。此處的數值僅為示例，在實際應用中，可以依據實際需求進行調整，本發明對此不作限制。
在本發明一實施例中，基板10由HDPE(高密度聚乙烯，High DensityPolyethylene)材料制得。人造微結構20通過蝕刻的方式附著在基板10上，當然人造微結構20也可以采用電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或者離子刻等方式附著在基板10上。基板10和基板30也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、FR4、F4B(聚四氟乙烯)、ABS (AcrylonitrileButadiene Styrene)材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料制成。人造微結構20采用銅線制成，當然也可以采用銀線、IT0、石墨或者碳納米管等導電材料制成。附圖中示意的天線罩的形狀為平板狀，在實際設計時也可以根據實際需求來設計天線罩的形狀，比如可以設計成圓球狀或者與天線形狀匹配的形狀(共形的天線罩)等，也不排除使用多個平板狀結構拼接成需要的形狀，本發明對此不作限制。圖7示出了超材料微波天線罩的S參數示意圖，此實施例中，超材料微波天線罩包括一個超材料片層，每一超材料片層包括一個基板，基板的兩個相對表面分布排布有相同的人造微結構，如圖4-6所示，口字形結構21的預設線寬w為0. 2_，方形貼片22的邊長a為6mm，超材料單元邊長b為10mm。由圖7可知，天線罩在7. 1-8. 5GHz頻率范圍內透射系數 S21 大于-0. 3dB，反射系數 Sll 小于-10dB。在 7. IGHz 時，S21 = -0. 28447dB，在 8. 5GHz時，S21 = -0. 26724dB，天線罩在7. 1-8. 5GHz頻率范圍內具有良好的透波效果。圖8是依據本發明一實施例的天線系統的整體結構示意圖。超材料微波天線罩801罩設于天線802上，其中這里的天線802以喇叭天線進行示意，并不作為對本發明的限制。超材料微波天線罩801與天線802固定連接形成封閉的腔體。超材料微波天線罩801的具體構成和設計參見上文所述，此處不再贅述。天線802與超材料微波天線罩801之間的固定方式可以使螺母聯接，也可以是卡扣連接，本發明對固定方式不做限制。本發明通過在基板上附著特定形狀的人造微結構，得到需要的電磁響應。可以通過調節人造微結構的形狀、尺寸，來改變材料的相對介電常數、折射率和阻抗，實現對電磁波的調制，減少了傳統天線罩設計時對材料厚度和介電常數的限制，有效控制電磁波的傳播特性，加強電磁波的透射，從而提高天線的方向性和增益。
上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。
權利要求
1.一種超材料微波天線罩，其特征在于，所述超材料微波天線罩罩設于天線上，包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括基板和陣列排布在所述基板的兩相對表面的多個人造微結構；所述基板由HDPE材料制成； 所述基板可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元的兩相對表面上分別排布有一個人造微結構，每一人造微結構的尺寸相同；所述人造微結構包括緊貼所述超材料單元邊緣的口字形結構以及位于所述超材料單元中心的方形貼片。
2.根據權利要求I所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述超材料片層還包括覆蓋于所述基板的兩相對表面的保護層。
3.根據權利要求2所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述口字形結構由具有預設線寬的金屬絲構成。
4.根據權利要求3所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述方形貼片為方形金屬貼片。
5.根據權利要求I所述的超材料微波天線罩，其特征在于，每一超材料單元的長和寬均為10mnin
6.根據權利要求5所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述基板的厚度為4mm，所述人造微結構的厚度為0. 018mm。
7.根據權利要求3所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述方形貼片的邊長為5 .6mm o
8.根據權利要求I所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述超材料微波天線罩的工作頻率范圍為7. I 8. 5GHz。
9.根據權利要求7所述的超材料微波天線罩，其特征在于，所述方形貼片的邊長為.6mm,所述口字形結構的線寬為0. 2mm。
10.一種天線系統，其特征在于，包括天線，以及如權利要求I 9任一項所述的超材料微波天線罩，所述超材料微波天線罩罩設于天線上。
全文摘要
本發明涉及超材料微波天線罩和天線系統。所述超材料微波天線罩罩設于天線上，包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括基板和陣列排布在所述基板的兩相對表面的多個人造微結構；基板由HDPE材料制成；基板可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元的兩相對表面上分別排布有一個人造微結構，每一人造微結構的尺寸相同；所述人造微結構包括緊貼所述超材料單元邊緣的口字形結構以及位于所述超材料單元中心的方形貼片。本發明在基板上附著特定形狀的人造微結構，調節人造微結構的形狀、尺寸來改變材料的相對介電常數、折射率和阻抗，加強電磁波的透射，提高天線的方向性和增益。
文檔編號H01Q1/42GK102683842SQ20121012768
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月27日 優先權日2012年4月27日
發明者劉若鵬, 方小偉, 王海蓮, 趙治亞 申請人:深圳光啟創新技術有限公司