專利名稱：寬頻透波超材料及其天線罩和天線系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及透波材料，更具體地說，涉及寬頻透波超材料及其天線罩和天線系統。
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。而且，天線罩的工作頻段較窄，在不同的頻段需求下需要更換天線罩，無法實現資源的重復使用，導致資源的浪費以及設備成本的提聞。

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、工作頻段較窄的缺陷，提供一種寬頻透波超材料及其天線罩和天線系統。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種寬頻透波超材料，所述寬頻透波超材料的工作頻段為7-18GHZ，包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括第一基板、第二基板以及夾設于第一基板與第二基板之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結構；所述第一基板與第二基板的厚度不同；所述人造微結構為十字形結構，多個十字形結構陣列排布成網格狀且相鄰十字形結構之間無間隙；所述超材料片層可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元排布有一個所述十字形微結構。在本發明所述的寬頻透波超材料中，所述第一基板和第二基板的介電常數為2.2 2. 4。在本發明所述的寬頻透波超材料中，所述第一基板和第二基板的損耗角正切小于0. 005。在本發明所述的寬頻透波超材料中，所述十字形結構由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構成。在本發明所述的寬頻透波超材料中，每一超材料單元的邊長為8. 5^9. 5mm，所述金屬絲的長度與超材料單元的邊長相等。在本發明所述的寬頻透波超材料中，所述金屬絲的線寬為0. lmm。在本發明所述的寬頻透波超材料中，所述第一基板與第二基板由HIPS材料制成。在本發明所述的寬頻透波超材料中，所述人造微結構的厚度為0. 018mm。 在本發明所述的寬頻透波超材料中，所述第一基板的厚度為I. 2mm，所述第二基板的厚度為2. 4mm。本發明還提供一種天線罩，用于罩設在天線上，包括如上所述的寬頻透波超材料。本發明還提供一種天線系統，包括天線以及如上所述的天線罩，所述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。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。本發明的寬頻透波超材料和天線罩工作在7-18GHZ頻帶內，在此頻帶內的透波效率很高。


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寬頻透波超材料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寬頻透波超材料的結構示意圖；圖3是依據本發明一實施例的超材料片層的結構示意圖；圖4是依據本發明一實施例的人造微結構的排布示意圖；圖5是依據本發明一實施例的人造微結構的示意圖；圖6是依據本發明一實施例的寬頻透波超材料的S參數示意圖；圖7是本發明的天線罩與純材料天線罩的S參數對比示意圖。
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。基于人造微結構的寬頻透波超材料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。并可通過調節微結構尺寸進行頻率選擇，根據需要調整相應透波和濾波頻率。本發明提供了一種寬頻透波超材料，寬頻透波超材料包括至少一個超材料片層1，如圖I和圖2所示。每個超材料片層I包括兩個相對設置的基板和附著在兩基板之間的陣列排布的人造微結構。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。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寬頻透波超材料來使用。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。圖中示出的寬頻透波超材料是板狀矩形的，在實際使用時，可以根據需求設計成其它形狀。例如如果是圓形截面的喇叭天線，則為了將天線罩罩設于喇叭天線上，則需要設計成與天線的圓形截面相匹配的圓板狀，而不是圖I所示的矩形形狀；如果使用的是矩形截面的喇叭天線，則需要將天線罩設計成與天線的矩形口徑相匹配的矩形形狀。本發明對寬頻透波超材料以及用作天線罩時的具體形狀不做限制。 圖3示出了超材料片層的結構示意圖(透視圖)。超材料片層I包括第一基板10、第二基板20以及夾設于第一基板10與第二基板20之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結構30。人造微結構30為十字形結構,第一基板10與第二基板20的厚度不同。多個十字形結構陣列排布成網格狀且相鄰十字形結構之間無間隙。超材料片層I可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元上排布有一個十字形微結構。在本發明一實施例中，以兩個基板為例進行說明，但是在實際設計時，也可以僅采用第一基板10，而人造微結構陣列排布在第一基板10上，同樣能夠達到本發明的目的。如圖4-5所示,每一超材料單元的邊長相等，a取值范圍為8. 5 9. 5mm,優選9. 2mm。人造微結構30緊貼超材料單元的邊界。人造微結構30為十字形結構，十字形結構由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構成。十字形結構的金屬絲的線寬w=0. 1mm，金屬絲的長度與超材料單元的邊長相等。第一基板10的厚度為I. 2mm，第二基板20的厚度為2. 4mm，人造微結構30的厚度為0. 018_。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。第一基板和第二基板選取介電常數為2. 2 2. 4、損耗角正切小于0. 005的介質材料。在本發明一實施例中，第一基板10和第二基板20由HIPS (耐沖擊性聚苯乙烯，Highimpact polystyrene)材料制得。第一基板10和第二基板20之間通過填充液態基板原料或者通過組裝相互連接在一起。人造微結構30通過蝕刻的方式附著在第一基板10上，當然人造微結構30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、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料制成。人造微結構30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。附圖中示意的寬頻透波超材料的形狀為平板狀，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用作天線罩時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。本實施例的寬頻透波超材料的S參數隨頻率變化的示意圖如圖6所示，所用第一基板10和第二基板20由HIPS材料制成。由圖6可以看到，本發明的技術方案在基板上附著人造微結構后,在7GHz時S21參數為-0. 45925dB，在18GHz時，S21參數為-0. 48698dB。從圖中可知，在疒18GHz范圍內S21參數都大于-0. 5dB，而且反射系數很小，小于-10dB。采用本發明的天線罩具有良好的透波性能。本發明還提供一種天線罩，用于罩設在天線上，包括如上所述的寬頻透波超材料。圖7是本發明的天線罩與純材料天線罩的S參數對比示意圖。Sll、S21分別表示本發明的寬頻透波超材料的反射系數和透射系數；S11_1、S21_l分別表示純材料天線罩(不添加本發明的人造微結構，僅兩層基板)的反射系數和透射系數。由圖7可知，在7. 262GHz^l8GHz范圍內，本發明的寬頻透波超材料的反射系數Sll均低于純材料天線罩的反射系數Sll_l，透射系數S21均高于純材料天線罩的 透射系數S21_l。本發明還提供一種天線系統，包括天線，以及如上文所述的天線罩，天線罩罩設于天線上。天線包括輻射源、饋電單元等，具體構成可參閱相關技術資料，本發明對此不作限制。微波天線可以是例如但不限于喇叭天線等。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，使得基于超材料的天線罩的透波性能增強，抗干擾能力增加。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。而且本發明的寬頻透波超材料和天線罩在7-18GHZ范圍內的透波效率很高。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。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
1.一種寬頻透波超材料，其特征在于，所屬寬頻透波超材料的工作頻段為7-18GHZ，包括至少ー個超材料片層，每ー超材料片層包括第一基板、第二基板以及夾設于第一基板與第二基板之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結構；所述第一基板與第二基板的厚度不同；所述人造微結構為十字形結構，多個十字形結構陣列排布成網格狀且相鄰十字形結構之間無間隙； 所述超材料片層可劃分為多個超材料単元，其中每ー超材料單元排布有一個所述十字形微結構。
2.根據權利要求I所述的寬頻透波超材料，其特征在于，所述第一基板和第二基板的介電常數為2. 2 2. 4。
3.根據權利要求2所述的寬頻透波超材料，其特征在干，所述第一基板和第二基板的損耗角正切小于0. 005。
4.根據權利要求I所述的寬頻透波超材料，其特征在于，所述十字形結構由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構成。
5.根據權利要求4所述的寬頻透波超材料，其特征在干，每ー超材料単元的邊長為8.5 9. 5mm,所述金屬絲的長度與超材料單元的邊長相等。
6.根據權利要求4所述的寬頻透波超材料，其特征在于，所述金屬絲的線寬為0.1mm。
7.根據權利要求I所述的寬頻透波超材料，其特征在于，所述第一基板與第二基板由HIPS材料制成。
8.根據權利要求I所述的寬頻透波超材料，其特征在于，所述第一基板的厚度為I.2mm,所述第二基板的厚度為2. 4mm。
9.ー種天線罩，其特征在于，用于罩設在天線上，包括如權利要求f 8任ー項所述的寬頻透波超材料。
10.一種天線系統，其特征在干，包括天線以及如權利要求9所述的天線罩，所述天線罩罩設于天線上。
全文摘要
本發明涉及寬頻透波超材料及其天線罩和天線系統。寬頻透波超材料的工作頻段為7-18GHz，包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括第一基板、第二基板以及夾設于第一基板與第二基板之間且陣列排布的多個尺寸相同的人造微結構；所述第一基板與第二基板的厚度不同；所述人造微結構為十字形結構，多個十字形結構陣列排布成網格狀且相鄰十字形結構之間無間隙；所述超材料片層可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元排布有一個所述十字形微結構。本發明的寬頻透波超材料及其天線罩和天線系統工作在7-18GHz頻帶內，在此頻帶內的透波效率很高。
文檔編號H01Q1/42GK102760963SQ20121022621
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月3日 優先權日2012年7月3日
發明者劉若鵬, 方小偉, 王凡, 王海蓮, 趙治亞 申請人:深圳光啟創新技術有限公司