基于超材料的天線罩及天線系統的制作方法與工藝

本發明涉及天線防護技術，更具體地說，涉及一種基于超材料的天線罩及天線系統。

背景技術：
在天線系統中，常常需要用天線罩來罩蓋天線，以使天線免受外界惡劣環境的影響，這樣，天線收發電磁波時電磁波均需穿過天線罩。但是由于制造天線罩所用的材料大多是ABS、UPVC等高分子聚合物，與空氣的波阻抗不一致，電磁波自空氣穿過天線罩時會發生反射，而且電磁波在天線罩內傳播時損耗也較大，從而降低了天線的輻射效率和增益，嚴重影響天線的電磁性能。我們知道，要降低電磁波在天線罩與空氣之間傳播時發生的反射，首先要讓用于制造天線罩的材料的波阻抗與空氣的波阻抗基本一致，也即，要讓制造天線罩的材料的波阻抗Z與空氣的波阻抗Z0基本相等。一般，我們有波阻抗公式：其中，ε表示相對介電常數、μ表示相對磁導率。而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，通過周期性排列的人工微結構來改變空間中各點的相對介電常數ε和相對磁導率μ，故，我們可以利用人工微結構來設計一種超材料，通過改變其相對介電常數ε和相對磁導率μ而使超材料的波阻抗Z與空氣的波阻抗Z0基本相等，以解決上述技術問題。

技術實現要素：
本發明針對以上所需解決的技術問題，提供一種基于超材料的天線罩及天線系統。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種天線罩，所述天線罩由超材料制成，所述超材料包括一介質基板和附著于所述介質基板上的多個人工微結構，每個人工微結構由兩大致呈S形的分支相交形成，而使所述超材料的波阻抗等于或接近于空氣的波阻抗。優選地，每個人工微結構的任一分支包括三條間隔設置且相互平行的第一金屬線段及兩將中間的第一金屬線段分別與兩側的第一金屬線段連接起來的第二金屬線段。優選地，每個人工微結構的任一分支的兩第二金屬線段分別與所述中間的第一金屬線段的兩端相連接且相互平行。優選地，每個人工微結構的任一分支的第一金屬線段與第二金屬線段垂直相連。優選地，每個人工微結構的任一分支的第一金屬線段與第二金屬線段的連接處呈直角。優選地，每個人工微結構的任一分支的第一金屬線段與第二金屬線段的連接處呈圓角。優選地，每個人工微結構的兩分支相互正交。優選地，每個人工微結構的兩分支的中間的第一金屬線段正交。優選地，每個人工微結構以垂直于其所在的平面并通過所述兩分支的交點的直線為軸順時針或逆時針旋轉90度、180度、270度或360度后與初始位置的人工微結構重合。一種天線系統，包括天線及設置于所述天線接收和/或發射的電磁波的傳播方向上的天線罩，所述天線罩由超材料制成，所述超材料包括一介質基板和附著于所述介質基板上的多個人工微結構，每個人工微結構由兩大致呈S形的分支相交形成，而使所述超材料的波阻抗等于或接近于空氣的波阻抗。本發明的基于超材料的天線罩及天線系統具有以下有益效果：由于所述超材料的波阻抗等于或接近于空氣的波阻抗，兩者的波阻抗相匹配，那么，當電磁波從空氣入射由所述超材料制成的天線罩亦或是從所述天線罩入射空氣時，不僅反射小，而且由于所述超材料可對電磁波進行調制而使其匯聚，從而提高了所述天線系統的增益，使其方向性更好。附圖說明下面將結合附圖及具體實施方式對本發明作進一步說明。圖1是用于制造本發明的天線罩的超材料的結構示意圖；圖2是圖1中的超材料的人工微結構的一個排布示意圖；圖3是圖2中的人工微結構的放大示意圖；圖4是圖3中的人工微結構的一個分支的放大示意圖；圖5是本發明的天線系統的結構示意圖；圖6是圖5中的天線的放大示意圖；圖7是本發明的天線系統的反射系數隨頻率變化的示意圖；圖8是圖5中的天線的反射系數隨頻率變化的示意圖。圖中各標號對應的名稱為：10超材料、12介質基板、14人工微結構、142分支、144第一金屬線段、146第二金屬線段、16超材料單元、20天線系統、22天線、30天線罩。具體實施方式如圖1和圖2所示，為用于制造本發明的天線罩的超材料10。所述超材料10包括一介質基板12和附著于所述介質基板12的一表面上的多個人工微結構14。所述介質基板12可由任何高分子材料或陶瓷材料制成。本實施例中，所述介質基板12是由聚四氟乙烯(F4B)制成。所述人工微結構14可是由銅線或銀線等金屬線構成的具有一定拓撲形狀的平面或立體結構，其中，金屬線的截面可以為扁平狀或其他任意形狀。本實施例中，所述人工微結構14是由扁平狀的銅線構成的平面金屬微結構。一般，所述人工微結構14周期性地排布于所述介質基板12的表面上。這樣，我們可將每個人工微結構14及其所在的介質基板12部分人為定義為一個超材料單元16，如圖1中虛線分隔形成的方格，而每個超材料單元16的尺寸應小于所需相應的電磁波波長的五分之一，優選為十分之一。這時，所述超材料10可看作是由多個超材料單元16陣列排布而成，而所述人工微結構14的幾何尺寸應與所述超材料單元16的幾何尺寸屬于同一數量級。本實施例中，所述人工微結構14和超材料單元16的幾何尺寸主要指平面內的長與寬。請參考圖3和圖4，為本發明的一個金屬微結構(即人工微結構)14的實施例。每個人工微結構14包括兩個相互正交的分支142，每一分支142大致呈“S”形，其包括三條間隔設置且相互平行的第一金屬線段144及兩將中間的第一金屬線段144分別與兩側的第一金屬線段144連接起來的第二金屬線段146；所述兩第二金屬線段146分別與所述中間的第一金屬線段144的兩端相連接且相互平行。每一分支142的第一金屬線段144與第二金屬線段146均垂直相連，且連接處呈直角；而所述兩分支142正交是指中間的第一金屬線段144正交。每個人工微結構14的一分支142中位于側邊的兩第一金屬線段144之間的間距大于另一分支中位于中間的第一金屬線段144的長度，且一分支142中位于中間的第一金屬線段144設于另一分支中位于側邊的兩第一金屬線段144之間。由上可知，每個人工微結構14以垂直于其所在的平面并通過所述兩分支142的交點(也即人工微結構14的中心)的直線為軸順時針或逆時針旋轉90度、180度、270度和360度后均與初始位置的人工微結構14重合。每個人工微結構14的第一金屬線段144和第二金屬線段146的寬度和長度均可以相等、也可以不相等。本實施例中，每一分支142的第一金屬線段144和第二金屬線段146的寬度均相等，而所述三條第一金屬線段144的長度不相等、所述兩第二金屬線段146的長度相等。所述人工微結構14可通過如蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻等任何合適的加工工藝附著于所述介質基板12上。當然，也可以采用三維的激光加工工藝。為了使所述超材料10的波阻抗Z等于或接近于空氣的波阻抗Z0，我們可利用CST等仿真軟件根據需要響應的電磁波的波長來不斷調節所述人工微結構14的幾何尺寸，比如所述兩分支142所形成的角度、每一分支142的第一、第二金屬線段144、146的長度和寬度以及第一金屬線段144與第二金屬線段146所形成的角度等，并監測由具有各個具體幾何尺寸的人工微結構14所形成的超材料單元16的相對介電常數ε和相對磁導率μ，并據波阻抗的公式算得其波阻抗，從中選出波阻抗接近于或等于空氣的波阻抗的人工微結構14的具體幾何尺寸，最終制得所述超材料10。如圖5所示，為本發明的天線系統20。所述天線系統20包括天線22及由所述超材料10制成的天線罩30。所述天線22可以是貼片天線、縫隙天線、微帶天線等任意類型的天線，也可以是由上述天線組成的天線陣，其饋電方式可以是同軸線、縫隙耦合、微帶線等。本實施例中，所述天線22是一由同軸線饋電的貼片天線，其工作頻率為2.4GHz。所述天線罩30位于所述天線22接收和/或發射的電磁波的傳播方向上。根據實際需要的機械強度，所述天線罩30可由多片所述超材料10疊加在一起形成。本實施例中，所述天線罩30由三片所述超材料10前、后表面直接疊加在一起形成。為了檢測在所述天線22的電磁波傳播方向上加入由所述超材料10制成的天線罩30后而形成的天線系統20的電磁性能，我們對其做了仿真測試，測得遠場增益為7.671dB，而其反射系數隨頻率變化的曲線如圖6所示，在2.4GHz時反射系數為-10.235dB。另外測得所述天線22本身的遠場增益為6.076dB，在2.4GHz時反射系數為-11.155dB，如圖7和圖8所示。由此可見，由于所述超材料10的波阻抗接近于或等于空氣的波阻抗，當增加了本發明的由所述超材料10制成的天線罩30后，本發明的天線系統20的增益提高了1.595dB、反射系數減小了0.92dB，而且所述天線罩30可調制電磁波而使其匯聚，這樣，所述天線系統20的方向性更好，傳輸距離也更遠，而且電磁波的損耗小、輻射效率更高。此外，本實施例中，為了與所述天線22配合，所述天線罩30為平板狀。實際中，所述天線罩30可配合天線的形狀做成任意形狀，如彎曲形，其既可以是由平板天線罩通過熱壓形成或者是用多塊平板天線罩拼接而成，也可以是利用軟性的介質基板12來制得所述超材料10，并形成各種形狀的天線罩30。以上所述僅是本發明的若干具體實施方式和/或實施例，不應當構成對本發明的限制。對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明基本思想的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，如所述人工微結構14的兩分支142非正交，而是形成一非90度的夾角，而每一分支142的第一金屬線段144與第二金屬線段146的連接處也可呈圓弧；并可通過調節所述天線22與所述天線罩30之間的距離來使所述天線22的增益最大；且所述人工微結構14也可形成于所述介質基板12的兩個相對的表面上，而這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。