專利名稱：透波超材料及其天線罩和天線系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及超材料，更具體地說，涉及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，較難達到高透波要求，即使在保證高透射率的條件下也不具備選擇性透波功能。
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的缺陷，提供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構造一種透波超材料，包括第一基板和第二基板，第一基板和第二基板之間夾設有一層陣列排布的中心開孔的方形貼片，第一基板的外表面和第二基板的外表面陣列排布的圓形貼片。在本發明所述的透波超材料中，第一基板的外表面上陣列排布的圓形貼片與第二基板的外表面上陣列排布的圓形貼片的形狀和尺寸相同。在本發明所述的透波超材料中，所述透波超材料可劃分為多個超材料單元，每一超材料單元包括第一基板單元、第二基板單元，還包括依次排布在第一基板單元外表面、第一基板單元和第二基板單元之間、第二基板單元外表面的圓形貼片、中心開孔的方形貼片、圓形貼片。在本發明所述的透波超材料中，所述中心開孔的方形貼片緊貼所述超材料單元的邊界。在本發明所述的透波超材料中，所述圓形貼片與所述超材料單元的邊界之間間隔
預設距離。在本發明所述的透波超材料中，所述超材料單元的長和寬均為10mm。在本發明所述的透波超材料中，所述第一基板與第二基板由介電常數為2. 65、損耗角正切值為0. 002的材料制成。在本發明所述的透波超材料中，方形貼片的中心開孔為圓孔，直徑為3_ ;圓形貼片的直徑為8. 5mm。在本發明所述的透波超材料中，所述第一基板的厚度為0. 6mm，所述第二基板的厚 度為0. 6mm ;方形貼片和圓形金屬貼片的厚度均為0. 018mm。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。本發明的透波超材料和天線罩透波效率高，損耗較小。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透波超材料的各組成部分的結構示意圖；圖2是依據本發明一實施例的超材料單元的結構示意圖；圖3是方形貼片的結構示意圖；圖4是圓形貼片的結構示意圖；圖5是圓形貼片11在第一基板10外表面的排布示意圖；圖6是方形貼片22夾設在第一基板10和第二基板20之間的排布示意圖；圖7是圓形貼片33在第二基板20外表面的排布示意圖；圖8是依據本發明一實施例的透波超材料的S參數隨頻率變化的示意圖。
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。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。
圖I是依據本發明一實施例的透波超材料的各組成部分的結構示意圖。為了清楚地示出每一組成部分，圖I以爆炸圖的形式示意。如圖I所示，透波超材料I包括第一基板10和第二基板20,第一基板10和第二基板20之間夾設有一層陣列排布的中心開孔的方形貼片22,第一基板10的外表面和第二基板20的外表面陣列排布有圓形貼片11、33。在本發明一實施例中，第一基板10的外表面上陣列排布的圓形貼片11與第二基板的外表面上陣列排布的圓形貼片33的形狀和尺寸相同。 在本發明中，為了清楚地描述方形貼片和圓形貼片的排布方式，將透波超材料虛擬劃分為多個超材料單元100，如圖2所示，每一超材料單元100包括第一基板單元101、第二基板單元201，還包括依次排布在第一基板單元101外表面、第一基板單元101和第二基板單元201之間、第二基板單元201外表面的圓形貼片11、中心開孔的方形貼片22、圓形貼片33。這里的圓形貼片和方形貼片可稱之為人造微結構。在本發明一實施例中，超材料單元的長和寬a為10mm，也即第一基板單元101和第二基板單元201的長和寬為a=10mm。圖中為了圖示方便，僅劃分了 9個超材料單元，見虛線劃分所示，這里的劃分僅為示意，不作 為對本發明的限制。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。在本發明一實施例中，中心開孔的方形貼片22為正方形貼片，如圖3所示，方形貼片22緊貼超材料單元100的邊界，即方形貼片22的邊長a與第一基板單元101和第二基板單元201的長和寬相等，與超材料單元的長和寬相等，可以為10mm。方形貼片22的中心開孔為圓孔，圓孔直徑R為3mm。在本發明一實施例中，圓形貼片11、33排布在第一基板單元101和第二基板單元201的中心，圓形貼片11、33的直徑為8. 5mm，與超材料單元100(或第一基板單元101和第二基板單元201)的邊界之間間隔預設距離b，即圓形貼片的直徑小于超材料單元的長和寬a。在本發明一實施例中，b=0. 75_。在本發明中，第一基板10的厚度為0. 6mm,第二基板20的厚度為0. 6mm。方形貼片22和圓形貼片11、33的厚度均為0. 018mm。方形貼片22和圓形貼片11、33均為金屬貼片，例如可以是銅、銀等金屬。圖5是圓形貼片11在第一基板10外表面的排布示意圖；圖6是方形貼片22夾設在第一基板10和第二基板20之間的排布示意圖；圖7是圓形貼片33在第二基板20外表面上的排布示意圖。在本發明一實施例中，基板選擇相對介電常數為2. 65，損耗角正切為0. 002的材料。第一基板10和第二基板20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(圓形貼片11、33，方形貼片22)通過蝕刻的方式附著在第一基板10和第二基板20上，當然人造微結構也可以采用電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或者離子刻等方式附著在基板。人造微結構采用銅線制成，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。本發明的透波超材料的S參數隨頻率變化的示意圖如圖8所示，第一基板10和第二基板20選擇相對介電常數為2. 65，損耗角正切為0. 002的材料。由圖8可知，本發明的透波超材料在較寬的頻帶例如X波段的透波性能都很好，特別是10-11. 5GHz頻率范圍內透波系數S21參數接近于OdB，而反射系數Sll小于_20dB，具有良好的透波效果。而在X波段以外頻率范圍內的反射系數Sll幾乎接近于0，使得有用的頻段透過，實現選擇性透波，具有良好的頻率選擇特性。調節圓形貼片11、33，方形貼片22的具體尺寸，能夠改變透波的通帶頻率范圍，可依據實際需要來調整人造微結構的尺寸。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超材料天線罩，超材料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。天線可以是例如但不限于平板天線。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。而且本發明的透波超材料和天線罩在X波段內的透波效率很高，損耗較小，而且具有選擇性透波功能。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
1.一種透波超材料，其特征在于，包括第一基板和第二基板，第一基板和第二基板之間夾設有一層陣列排布的中心開孔的方形貼片，第一基板的外表面和第二基板的外表面陣列排布的圓形貼片。
2.根據權利要求I所述的透波超材料，其特征在于，第一基板的外表面上陣列排布的圓形貼片與第二基板的外表面上陣列排布的圓形貼片的形狀和尺寸相同。
3.根據權利要求2所述的透波超材料，其特征在于，所述透波超材料可劃分為多個超材料單元，每一超材料單元包括第一基板單元、第二基板單元，還包括依次排布在第一基板單元外表面、第一基板單元和第二基板單元之間、第二基板單元外表面的圓形貼片、中心開孔的方形貼片、圓形貼片。
4.根據權利要求3所述的透波超材料，其特征在于，所述中心開孔的方形貼片緊貼所述超材料單元的邊界。
5.根據權利要求4所述的透波超材料，其特征在于，所述圓形貼片與所述超材料單元的邊界之間間隔預設距離。
6.根據權利要求4所述的透波超材料，其特征在于，所述超材料單元的長和寬均為IOmm0
7.根據權利要求6所述的透波超材料，其特征在于，所述第一基板與第二基板由介電常數為2. 65、損耗角正切值為O. 002的材料制成。
8.根據權利要求7所述的透波超材料，其特征在于，方形貼片的中心開孔為圓孔，直徑為3mm ;圓形貼片的直徑為8. 5mm。
9.一種天線罩，其特征在于，用于罩設在天線上，包括如權利要求廣8任一項所述的透波超材料。
10.一種天線系統，其特征在于，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
本發明涉及透波超材料及其天線罩和天線系統。透波超材料包括第一基板和第二基板，第一基板和第二基板之間夾設有一層陣列排布的中心開孔的方形貼片，第一基板的外表面和第二基板的外表面陣列排布的圓形貼片。本發明的透波超材料及其天線罩和天線系統的透波效率很高，損耗較小，而且具有選擇性透波功能。
文檔編號H01Q1/42GK102760964SQ201210226218
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
發明者付少麗, 劉若鵬, 方小偉, 趙治亞 申請人:深圳光啟創新技術有限公司