寬頻透波材料及其天線罩和天線系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及寬頻透波材料及其天線罩和天線系統。寬頻透波材料，用于實現寬頻透波，包括由非金屬材料制成的多層基板以及夾設在多層基板之間且陣列排布的多個第一人造微結構；所述透波材料還包括附著于所述多層基板中的兩層最外層基板的外表面上的第二人造微結構，所述第二人造微結構與所述第一人造微結構不相同。本發明的寬頻透波材料及其天線罩和天線系統在2~18GHz寬頻帶內的透波效率很高。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。
【專利說明】寬頻透波材料及其天線罩和天線系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及天線罩，更具體地說，涉及寬頻透波材料及其天線罩和天線系統。
【背景技術】
[0002]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。
[0003]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】
[0004]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，提供一種寬頻透波材料及其天線罩和天線系統。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:構造一種透波材料，用于實現寬頻透波，包括由非金屬材料制成的多層基板以及夾設在多層基板之間且陣列排布的多個第一人造微結構；所述透波材料還包括附著于所述多層基板中的兩層最外層基板的外表面上的第二人造微結構，所述第二人造微結構與所述第一人造微結構不相同。
[0006]在本發明所述的寬頻透波材料中，所述寬頻透波材料包括四層基板。
[0007]在本發明所述的寬頻透波材料中，所述第一人造微結構為十字形結構，所述第二人造微結構為方環結構。
[0008]在本發明所述的寬頻透波材料中，相鄰的十字形結構的中心之間的間距相等，相鄰的方環結構的中心之間的間距相等，且相鄰的十字形結構的中心之間的間距等于相鄰的方環結構的中心之間的間距。
[0009]在本發明所述的寬頻透波材料中，所述十字形結構由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬線構成。
[0010]在本發明所述的寬頻透波材料中，所述金屬線的線寬處處相等，所述金屬線的線長為I?3mm，線寬為0.02?0.08mm。
[0011]在本發明所述的寬頻透波材料中，所述方環結構為正方環形結構，且所述正方環形結構的邊長大于所述金屬線的線長。
[0012]在本發明所述的寬頻透波材料中，相鄰的十字形結構之間預留有空隙，且相鄰的方環結構之間預留有空隙。
[0013]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材料。
[0014]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。
[0015]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。本發明的寬頻透波材料及其天線罩和天線系統在2?18GHz寬頻帶內的透波效率很高，而且能夠屏蔽其它頻段，保證天線正常工作。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。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
[0017]圖1是依據本發明一實施例的寬頻透波材料的結構側視圖；
[0018]圖2是第一人造微結構構成的第二金屬層示意圖；
[0019]圖3是圖2所示的單個第一人造微結構的示意圖；
[0020]圖4是第二人造微結構在基板10外表面的排布示意圖；
[0021]圖5是圖4所示的單個第二人造微結構的示意圖；
[0022]圖6是第二人造微結構在基板40外表面的排布示意圖；
[0023]圖7是依據本發明一實施例的寬頻透波材料的S21參數仿真示意圖；
[0024]圖8是依據本發明一實施例的寬頻透波材料的Sll參數仿真示意圖。
【具體實施方式】
[0025]本發明提供一種寬頻透波材料，用于實現寬頻透波，包括由非金屬材料制成的多層基板夾設在多層基板之間且陣列排布的多個第一人造微結構，寬頻透波材料還包括附著于多層基板中的兩層最外層基板的外表面上的第二人造微結構。基板的數量本發明不做限制，例如可以是三層基板、四層基板、五層基板甚至更多。
[0026]如圖1所示，作為優選實施例，寬頻透波材料包括四層基板10、20、30、40，以及夾設在多層基板10、20、30、40之間且陣列排布的多個第一人造微結構11 ;寬頻透波材料還包括附著于多層基板10、20、30、40中的兩層最外層基板10、40的外表面上的第二人造微結構22，其中第二人造微結構22與所述第一人造微結構11不相同。基板10、20之間的多個第一人造微結構11構成第二金屬層2,基板20、30之間的多個第一人造微結構11構成第三金屬層3，基板30、40之間的多個第一人造微結構11構成第四金屬層4。寬頻透波材料的最外層基板是基板10和基板40,基板10的外表面上的多個第二人造微結構22構成第一金屬層I，基板40的外表面上的多個第二人造微結構22構成第五金屬層5。
[0027]第一、第二人造微結構11、22為導電材料制成的具有一定幾何圖案的平面結構。這里的導電材料，可以是金、銀、銅等導電性能良好的金屬材料，或者主要成分為金、銀、銅中的一種或兩種的合金材料，也可以是碳納米管、摻鋁氧化鋅、銦錫氧化物等可以導電的非金屬材料。本發明中，優選銅或銀。制造基板的材料有多種選擇，例如陶瓷、FR4、F4B(聚四氟乙烯)、HDPE (高密度聚乙烯，High Density Polyethylene)、ABS (AerylonitriIeButadiene Styrene)、鐵電材料、或者鐵磁材料等。基板10、20、30、40優選相對介電常數ε r為2.25，損耗角正切tan δ為0.001的F4B材料制成。[0028]在本發明一實施例中，第一人造微結構11為十字形結構。基板10、20之間夾設的多個第一人造微結構11構成的第二金屬層2如圖2所示，第一人造微結構11如圖3所示。相鄰的十字形結構的中心之間的間距相等，相鄰的十字形結構之間預留有空隙。十字形結構由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬線構成，金屬線的線長a為f 3mm，線寬wl為
0.02、.08_。在本發明一優選實施例中，金屬線的線寬處處相等，相鄰的十字形結構的中心之間的間距為11mm。
[0029]第三金屬層3在第二基板20和第三基板30之間的排布、第四金屬層4在第三基板30和第四基板40之間的排布與圖2相同，因此不再贅述。
[0030]圖4飛示出了第二人造微結構22在基板10和基板40外表面的排布示意圖以及第二人造微結構22示意圖。多個第二人造微結構22在基板10外表面形成第一金屬層1，多個第二人造微結構22在基板40外表面形成第五金屬層5。由圖可知，第二人造微結構22為方環結構，相鄰的方環結構之間預留有空隙，相鄰的方環結構的中心之間的間距相等。優選實施例中，相鄰的第一人造微結構11的中心之間的間距等于相鄰的第二人造微結構22的中心之間的間距。
[0031]在一優選實施例中，方環結構為正方環形結構，且正方環形結構的邊長b大于十字形結構的金屬線的線長a,正方環形結構的邊長b為2.5~4mm,環寬w2為0.02~0.08mm。
[0032]第一人造微結構11、第二人造微結構22的單個微結構的位置相對應，即:第一人造微結構22的十字形結構的位置與基板10、40外表面上的方環結構的位置相對應，俯視透視材料，每一^h字形結構的中心與其對應的方環結構的中心重合。
[0033]可以理解的是，說明書附圖中示出的第一、第二人造微結構11、22的數目僅為示意，用于說明第一、第二人造微結構11、22的排布情況，不作為對本發明的限制。
[0034]下面將結合具體實施例來說明本發明的寬頻透波材料的應用效果。在一實施例中，第一人造微結構31為十字形結構，由兩條尺寸相同且相互垂直的金屬線構成，金屬線的長度a=2mm,線寬wl=0.05mm。第二人造微結構22均為正方環形結構，邊長b=3mm,w2=0.05mm。相鄰正方環形結構的中心之間的間距為11mm。在本發明一實施例中，基板10、20,30,40由聚四氟乙烯(F4B)制得。第一人造微結構11和第二人造微結構22由銅制成。基板10、、20、30、40的介電常數為2.25，損耗角正切為0.001。基板10、20、30、40的厚度為1mm，第一、第二人造微結構的厚度為0.018mm。上述參數僅為一實例，并不作為對本發明的限制。
[0035]基板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。第一、第二人造微結構11、22通過蝕刻的方式附著在基板上，當然人造微結構也可以采用電鍍、鉆刻、光亥IJ、電子刻或者離子刻等方式附著在基板上。基板也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、HIPS(耐沖擊性聚苯乙烯，High impact polystyrene)材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料制成。
[0036]對具有上述參數的寬頻透波材料進行仿真，其S參數仿真圖如圖71所示。由圖7?8可以看到，在2?18GHz寬頻帶內，S21大于-0.8dB，接近于O ;而Sll很小，在-8.ldB'55dB之間，透波效果很好。在實際應用時，通過調節第一、第二人造微結構的形狀、尺寸，可以改變材料的相對介電常數、折射率和阻抗，從而通帶向高頻或低頻移動，或者改變帶寬。
[0037]本發明通過在基板上設計不同的人造微結構，通過相關金屬層的電磁響應特征來改變各個空間點的介電常數，使基板對2?18GHz的電磁響應特征與空氣相近。從而減少了微波系統由于引入傳統介質后特性阻抗不匹配所引起的衰減，從而減小反射、提高傳輸效率。
[0038]因此，本發明還提供一種天線罩，該天線罩由上文所述的寬頻透波材料制成，用于罩設在天線上，對天線起到保護作用的同時，還能夠保證天線在工作頻段具有很高的性能。
[0039]需要說明的是，天線罩的形狀可以為與附圖中的寬頻透波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。
[0040]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。天線本體可以是例如但不限于平板天線、微波天線、雷達天線等。
[0041]通過多次仿真測試，本發明的透波材料及其天線罩和天線系統在2?18GHz寬頻帶內的透波效率很高，而且能夠屏蔽其它頻段，保證天線正常工作，防止干擾。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。在實際應用時，通過調節第一、第二人造微結構的形狀、尺寸，可以改變材料的相對介電常數、折射率和阻抗，從而通帶向高頻或低頻移動，或者改變帶寬。
[0042]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】
1.一種寬頻透波材料，其特征在于，用于實現寬頻透波，包括由非金屬材料制成的多層基板以及夾設在多層基板之間且陣列排布的多個第一人造微結構；所述透波材料還包括附著于所述多層基板中的兩層最外層基板的外表面上的第二人造微結構，所述第二人造微結構與所述第一人造微結構不相同。
2.根據權利要求1所述的寬頻透波材料，其特征在于，所述寬頻透波材料包括四層基板。
3.根據權利要求1所述的寬頻透波材料，其特征在于，所述第一人造微結構為十字形結構，所述第二人造微結構為方環結構。
4.根據權利要求3所述的寬頻透波材料，其特征在于，相鄰的十字形結構的中心之間的間距相等，相鄰的方環結構的中心之間的間距相等，且相鄰的十字形結構的中心之間的間距等于相鄰的方環結構的中心之間的間距。
5.根據權利要求3所述的寬頻透波材料，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線構成。
6.根據權利要求5所述的寬頻透波材料，其特征在于，所述金屬線的線寬處處相等，所述金屬線的線長為線寬為0.02^0.08mm。
7.根據權利要求6所述的寬頻透波材料，其特征在于，所述方環結構為正方環形結構，且所述正方環形結構的邊長大于所述金屬線的線長。
8.根據權利要求4所述的寬`頻透波材料，其特征在于，相鄰的十字形結構之間預留有空隙，且相鄰的方環結構之間預留有空隙。
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任一項所述的寬頻透波材料。
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】H01Q1/42GK103682614SQ201210327417
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月6日 優先權日:2012年9月6日
【發明者】劉若鵬, 趙治亞, 方小偉, 佩爾·馬宗達 申請人:深圳光啟創新技術有限公司