高透波超材料天線罩及天線系統的制作方法與工藝

本發明涉及天線罩，更具體地說，涉及高透波超材料天線罩及天線系統。

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，較難達到高透波要求。

技術實現要素：
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的缺陷，提供一種高透波超材料天線罩及天線系統。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種高透波超材料天線罩，所述高透波超材料天線罩罩設于天線上，所述超材料天線罩包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括第一基板和陣列排布在所述第一基板上的多個尺寸相同的人造微結構；所述人造微結構包括雪花形結構，所述雪花形結構包括十字形結構以及分別設置在所述十字形結構的四個端點上的四個尺寸相同的一字形結構；所述超材料片層中的第一基板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所述人造微結構；每一超材料單元的長和寬均為15mm，所述人造微結構與所述超材料單元的邊界之間的距離為0.1mm；所述一字形結構的長度為9.5～10.2mm。在本發明所述的高透波超材料天線罩中，每一超材料片層還包括覆蓋于所述多個人造微結構上的第二基板。在本發明所述的高透波超材料天線罩中，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。在本發明所述的高透波超材料天線罩中，所述一字形結構由一條金屬絲構成，所述十字形結構垂直平分所述四個一字形結構。在本發明所述的高透波超材料天線罩中，所述十字形結構的金屬線的線寬為0.1mm。在本發明所述的高透波超材料天線罩中，所述一字形結構的金屬線的線寬為0.1mm。在本發明所述的高透波超材料天線罩中，所述一字形結構的長度為10mm。在本發明所述的高透波超材料天線罩中，所述超材料天線罩工作頻段為5～6GHz。在本發明所述的高透波超材料天線罩中，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在所述基材上。本發明還提供一種天線系統，包括天線本體以及如上所述的高透波超材料天線罩，所述高透波超材料天線罩與天線本體間隔預設距離。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。而且本發明的天線罩在5-6GHz頻帶內的透波效率很高，反射損耗很小；天線罩的等效阻抗接近于1，很好地實現與空氣的阻抗匹配。附圖說明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1是依據本發明一實施例的高透波超材料天線罩的一個超材料片層的結構示意圖；圖2是由多個圖1所示的超材料片層堆疊形成的高透波超材料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結構示意圖；圖4是人造微結構的排布示意圖；圖5是人造微結構的示意圖；圖6是超材料天線罩的S參數示意圖；圖7是圖6所示的S21在4.5～6.5GHz頻率范圍的放大圖；圖8是超材料天線罩的等效介電常數、磁導率以及阻抗示意圖。具體實施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。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。本發明提供了一種超材料天線罩，包括至少一個超材料片層1，如圖1和圖2所示。每個超材料片層1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1有多個時，各個超材料片層1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超材料天線罩來使用。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1中的第一基板10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人造微結構。圖3示出了超材料片層的結構示意圖(透視圖)。超材料片層1包括兩塊相同的均勻等厚的片狀基板：相對設置的第一基板10和第二基板20，所述第一基板10的面向第二基板20的表面上附著有陣列排布的人造微結構30。超材料片層1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所述人造微結構。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，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，每一超材料單元的長和寬均為a＝15mm，人造微結構30與超材料單元的邊界之間的距離為w2＝0.1mm。每一人造微結構30包括雪花形結構，雪花形結構包括十字形結構31以及分別設置在所述十字形結構的四個端點上的四個尺寸相同的一字形結構32。十字形結構31由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構成。一字形結構32由一條金屬絲構成，十字形結構31垂直平分四個一字形結構32。十字形結構31和一字形結構32的金屬線的線寬w1＝0.1mm。一字形結構的長度為b＝9.5～10.2mm。在本發明一實施例中，一字形結構的長度為b＝10mm。第一基板10和第二基板20的厚度均為2mm，人造微結構30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，第一基板10和第二基板20采用HDPE(高密度聚乙烯，HighDensityPolyethylene)材料。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、FR4、F4B(聚四氟乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯，HighDensityPolyethylene)、或ABS(AcrylonitrileButadieneStyrene)、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、ITO、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。本實施例的超材料天線罩的S參數隨頻率變化的示意圖如圖6和圖7所示，所用第一基板10和第二基板20為HDPE材料。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，透波系數S21在4.5～6.5GHz時，S21大于-0.4dB；透波系數S21在5～6GHz時，S21大于-0.1dB，反射系數S11小于-15dB。在5GHz時，S21為-0.087371dB；在5GHz時，S21為-0.083319dB。采用本發明的天線罩具有良好的透波性能，損耗較小，非常適合做透波天線罩。圖8示出了超材料天線罩的等效介電常數ε、磁導率μ和阻抗η示意圖，可以看出，在5～6GHz時，等效阻抗η接近于1，很好地實現了與空氣的阻抗匹配。本發明還提供一種天線系統，包括天線本體，以及如上文所述的高透波超材料天線罩，高透波超材料天線罩罩設于天線上。天線本體包括輻射源、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。天線本體可以是例如但不限于平板天線、網橋天線。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。而且本發明的天線罩在5-6GHz頻帶內的透波效率很高，反射損耗很小；天線罩的等效阻抗接近于1，很好地實現與空氣的阻抗匹配。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。