超材料及其天線罩和天線系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及超材料及其天線罩和天線系統，所述超材料工作在L波段，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；所述人造微結構為十字形結構。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。而且本發明的超材料及天線罩在L波段損耗極小，透波效率很高。
【專利說明】超材料及其天線罩和天線系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料領域，更具體地說，涉及超材料及其天線罩和天線系統。
【背景技術】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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，損耗嚴重。
【發明內容】
[0006]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，損耗嚴重的缺陷，提供一種超材料及其天線罩和天線系統。
[0007]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，所述超材料工作在L波段，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；所述人造微結構為十字形結構。
[0008]在本發明所述的超材料中，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。
[0009]在本發明所述的超材料中，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。
[0010]在本發明所述的超材料中，每一超材料單元的長和寬均為15_。
[0011]在本發明所述的超材料中，每一十字形結構由兩條垂直平分的金屬絲構成。
[0012]在本發明所述的超材料中，每條金屬絲的長度為13"l4mm,寬度為Imm,厚度為
0.018mm。[0013]在本發明所述的超材料中，每一人造微結構與其所在的超材料單元的邊界之間的距離為0.5?1mm。
[0014]在本發明所述的超材料中，所述第一基板和第二基板的厚度為2mm。
[0015]在本發明所述的超材料中，所述第一基板和第二基板由F4B復合材料制得。
[0016]本發明還提供一種天線罩，用于罩設在天線上，包括如上所述的超材料。
[0017]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。
[0018]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。而且本發明的超材料及天線罩在L波段(IlGHz)損耗極小，透波效率很高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
[0020]圖1是依據本發明一實施例的超材料的一個超材料片層的結構示意圖；
[0021]圖2是由多個圖1所示的超材料片層堆疊形成的超材料的結構示意圖；
[0022]圖3是依據本發明一實施例的超材料片層的結構示意圖；
[0023]圖4是人造微結構的示意圖；
[0024]圖5-6是超材料的S參數與純F4B復合材料的S參數的對比示意圖。
【具體實施方式】
[0025]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。
[0026]本發明提供了一種超材料，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I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。
[0027]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I可劃分為多個超材料單兀，其中每一超材料單兀上排布有一個所述人造微結構。在本發明一實施例中，每一超材料單元的長和寬為a=15mm。這里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。圖中所示的超材料單元的數量僅為示意，為了說明人造微結構的排布方式，對超材料單元的數量并不做限制，可根據實際需要來確定天線罩的尺寸，從而確定超材料單元的數量。
[0028]如圖4所示，每一人造微結構30為十字形結構，十字形結構由兩條相互垂直平分的金屬絲構成，金屬絲的寬度均為wl=lmm,長度b可以為13~14mm。每一人造微結構30所在的超材料單元的長和寬為a=15mm。每一人造微結構與其所在的超材料單元的邊界之間的距離為w2=0.5~1mm。
[0029]第一基板10和第二基板20的厚度均為2mm,人造微結構的厚度為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。
[0030]在本發明一實施例中，第一基板10和第二基板20由F4B或FR4復合材料制得。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、鉆亥丨J、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、ΙΤ0、石墨或者碳納米管等導電材料制成。
[0031]本實施例的超材料的S參數隨頻率變化的示意圖如圖5所示，所用第一基板10和第二基板20為F4B復合材料，S11_1、S21_1為純F4B復合材料的仿真結果，S11、S21為F4B復合材料制成的基板上附著人造微結構時的仿真結果。可以看到，在0.6~2GHz范圍內的Sll比Sll_l小，也即反射能量少。圖5中0.6^2GHz范圍的放大圖見圖6，由圖可知，天線罩在0.6^2GHz范圍內時，S21比S21_l大很多，也就意味著透射效果非常好。在0.6GHz時，S21為-0.027246dB, S21_l 為-0.081574 ;在 2GHz 時，S21 為-0.32672dB, S21_l 為-0.95802dB,損耗減少了 0.6dB。為了更好的說明本發明的天線罩在天線上的應用性能，將本發明的超材料制成的天線罩與傳統的純材料制成的天線罩在單個偶極子天線上進行仿真測試。得到的測試結果是，使用本發明的天線罩的偶極子天線的方向圖與使用傳統天線罩相比未發生明顯改變，而且本發明的天線罩使得天線增益提高，整體性能比傳統天線罩有較大提高。
[0032]因此，本發明還提供一種天線罩，該天線罩由上文所述的超材料制成，用于罩設于在天線上，對天線起到保護作用的同時，還能夠保證天線在工作頻段正常工作。
[0033]需要說明的是，天線罩的形狀可以為與附圖中的超材料形狀相同的平板狀，也可以根據實際需求來設計天線罩的形狀，比如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。
[0034]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。天線可以是例如但 不限于平板天線、陣列天線等。
[0035]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。而且本發明的超材料及其天線罩和天線系統在L波段(IlGHz)損耗極小，透波效率很高，同時也提高了天線整體增益。
[0036] 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，其特征在于，所述超材料工作在L波段，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；所述人造微結構為十字形結構。
2.根據權利要求1所述的超材料，其特征在于，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。
3.根據權利要求1所述的超材料，其特征在于，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。
4.根據權利要求3所述的超材料，其特征在于，每一超材料單元的長和寬均為15mm。
5.根據權利要求4所述的超材料，其特征在于，每一十字形結構由兩條垂直平分的金屬絲構成。
6.根據權利要求5所述的超材料，其特征在于，每條金屬絲的長度為13?14mm，寬度為1mm，厚度為 0.018mm。
7.根據權利要求5所述的超材料，其特征在于，每一人造微結構與其所在的超材料單元的邊界之間的距離為0.5?lmm。
8.根據權利要求7所述的超材料，其特征在于，所述第一基板和第二基板的厚度為2mm ο
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f 8任一項所述的超材料。
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。
【文檔編號】H01Q15/00GK103579773SQ201210275369
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月3日 優先權日:2012年8月3日
【發明者】劉若鵬, 趙治亞, 方小偉, 張嶺 申請人:深圳光啟創新技術有限公司