定向传播天线罩和定向天线系统的制作方法与工艺

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及定向传播天线罩和定向天线系统。

背景技术：
超材料，俗称超材料，是一种新型人工合成材料，是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个人造微结构构成的。基板可以虚拟地划分为矩形阵列排布的多个基板单元，每个基板单元上附着有人造微结构，从而形成一个超材料单元，整个超材料是由很多这样的超材料单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的。每个超材料单元上的人造微结构可以相同或者不完全相同。人造微结构是由金属丝组成的具有一定几何图形的平面或立体结构，例如组成圆环形、工字形的金属丝等。由于人造微结构的存在，每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性，因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性；通过对人造微结构设计不同的具体结构和形状，可以改变整个超材料的响应特性。一般情况下，天线系统都会设置有天线罩。天线罩的目的是保护天线系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，使天线系统工作性能比较稳定、可靠。同时减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命。但是天线罩除了保护天线功能之外，不能够兼具其他功能，功能很单一。例如在电磁波定向辐射的需求下，现有的天线罩不能满足此要求，需要更换天线才能实现，这样就会造成既有天线的浪费。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，针对现有的天线罩功能单一，不具备电磁波定向辐射的缺陷，提供一种能够将定向传播电磁波的定向传播天线罩和定向天线系统。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种定向传播天线罩，所述定向传播天线罩包括设置在天线上的超材料面板，所述超材料面板包括核心层，所述核心层包括至少一个核心层片层，每一个核心层片层包括片状的第一基材以及设置在第一基材上的多个第一人造微结构，以超材料面板的前表面为XY平面，以所述天线的馈源等效点在超材料面板前表面所在平面上的投影为坐标原点O，建立XYZ三维坐标系，所述馈源等效点的坐标为(0，0，F)，所述核心层片层任一点(x，y，0)的折射率满足如下公式：Vseg＝ss+λ×NUMseg；dis＝d1+d2；d2＝cosα×R-cosα×y；ss＝cosα×R+sinα×F；F表示馈源等效点到超材料面板的垂直距离；R表示所述定向传播天线罩的工作区域的有效半径；D表示超材料面板的厚度；α表示经过所述定向传播天线罩后出射的电磁波波束与超材料面板所成的夹角；nmax表示核心层片层的折射率的最大值；nmin表示核心层片层的折射率的最小值；λ表示频率为所述天线中心频率的电磁波的波长；floor表示向下取整。在本发明所述的定向传播天线罩中，所述第一基材包括片状的第一前基板及第一后基板，所述多个第一人造微结构夹设在第一前基板与第一后基板之间。在本发明所述的定向传播天线罩中，所述核心层片层的厚度为1.018mm，其中，第一前基板及第一后基板的厚度均为0.5mm，多个第一人造微结构的厚度为0.018mm。在本发明所述的定向传播天线罩中，所述超材料面板还包括设置在核心层两侧表面的阻抗匹配层，所述阻抗匹配层包括至少一个阻抗匹配层片层，所述阻抗匹配层片层包括片状的第二基材以及设置在第二基材上的多个第二人造微结构，所述阻抗匹配层片层的折射率分布满足如下公式：其中，ni(x，y，0)表示第i个阻抗匹配层片层上任一点(x，y，0)处的折射率值；i表示阻抗匹配层片层的编号，靠近天线馈源的阻抗匹配层片层的编号为m，向核心层方向编号依次减小，靠近核心层的阻抗匹配层片层的编号为1；nmin为核心层片层的折射率的最小值。在本发明所述的定向传播天线罩中，所述第二基材包括片状的第二前基板及第二后基板，所述多个第二人造微结构夹设在第二前基板与第二后基板之间。在本发明所述的定向传播天线罩中，所述超材料面板任一纵截面具有相同的形状与面积。在本发明所述的定向传播天线罩中，所述超材料面板的纵截面为方形或圆形。在本发明所述的定向传播天线罩中，所述第一人造微结构及第二人造微结构均为由铜线或银线构成的金属微结构，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法分别附着在第一基材及第二基材上。在本发明所述的定向传播天线罩中，所述金属微结构呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。本发明还提供一种定向天线系统，包括天线，和如上所述的定向传播天线罩，所述定向传播天线罩固定在所述天线上。根据本发明的定向传播天线罩和定向天线系统，通过精确设计核心层的折射率分布，使得天线馈源发出的电磁波经超材料面板后能够形成以特定角度出射的平面波，制造加工更加容易，成本更加低廉。另外依此设计的超材料面板整体厚度在毫米级别，相当的轻薄。而且可以根据不同的角度需求设计核心层的折射率分布，满足不同的定向需求。本发明提供的天线罩使得本不具备定向功能的天线能够实现定向传播，满足定向需求。附图说明图1是本发明的第一实施例中定向传播天线罩的结构示意图；图2是本发明的核心层片层其中一个超材料单元的透视示意图；图3是本发明的核心层片层的结构示意图；图4是本发明的阻抗匹配层片层的结构示意图；图5是本发明的平面雪花状的金属微结构的示意图；图6是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构；图7是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构。图8是平面雪花状的金属微结构的拓扑形状的演变的第一阶段；图9是平面雪花状的金属微结构的拓扑形状的演变的第二阶段；图10是本发明一实施例的定向传播天线罩所在的三维坐标系示意图；图11是本发明另一实施例的定向传播天线罩所在的三维坐标系示意图；图12是本发明另一种实施例的定向传播天线罩的结构示意图。具体实施方式图1为本发明第一实施例的定向传播天线罩的结构示意图，定向传播天线罩包括设置在天线上的超材料面板100，所述超材料面板100包括核心层10及设置核心层10两侧表面的阻抗匹配层20。K为天线的馈源等效点，天线的具体结构未示出，仅示出了馈源等效点K，以此来代表天线。此处馈源的等效点K实际上就是天线的馈点(电磁波在馈源中发生聚焦的点或者电磁波辐射点)。馈源等效点K在超材料面板100的核心层10的前表面所在平面上的投影为点O。α表示经过定向传播天线罩后出射的电磁波波束与超材料面板100所成的夹角。匹配层并不是必需的，也可以仅使用核心层10。阻抗匹配层的作用是实现从空气到核心层10的阻抗匹配，以减少空气与超材料相接处的电磁波反射，降低电磁波能量的损失。为了实现阻抗匹配，减少损耗，增加阻抗匹配层后天线的辐射效果会更好。本发明的天线罩使用于发射天线时，即天线馈源作为辐射源，天线罩的作用是将天线馈源发出电磁波经超材料面板后以具有一定角度的平面波的形式出射，如图1所示。本发明的天线罩使用于接收天线时，即天线馈源作为集波器，天线罩的作用是将具有一定角度的平面波天线经过超材料面板后能够在天线馈源等效点K处汇聚。在本发明一实施例中，超材料面板100任一纵截面具有相同的形状与面积，即核心层与匹配层具有相同的形状与面积的纵截面，此处的纵截面是指超材料面板中与超材料面板的中轴线垂直的剖面。所述超材料面板的纵截面为方形、圆形或椭圆形，优选地，所述超材料面板的纵截面为方形，这样得到的超材料面板容易加工，例如450X450mm的正方形。由图2～图4可知，核心层10包括至少一个核心层片层11，核心层片层11包括片状的第一基材13以及设置在第一基材13上的多个第一人造微结构12。本实施例中，优选地，如图3所示，所述第一基材13包括片状的第一前基板131及第一后基板132，所述多个第一人造微结构12夹设在第一前基板131与第一后基板132之间。优选地，所述核心层片层11的厚度为1.018mm，其中，第一前基板131及第一后基板132的厚度均为0.5mm，多个第一人造微结构12的厚度为0.018mm。本实施例中，所述阻抗匹配层20包括至少一个阻抗匹配层片层21，所述阻抗匹配层片层21包括片状的第二基材23以及设置在第二基材23上的多个第二人造微结构(图中未标示)，优选地，本实施例中，如图4所示，所述第二基材23包括片状的第二前基板231及第二后基板232，多个第二人造微结构夹设在第二前基板231与第二后基板232之间。优选地，所述阻抗匹配层片层的厚度为1.018mm，其中，第二前基板及第二后基板的厚度均为0.5mm，多个第二人造微结构的厚度为0.018mm。下面以超材料面板仅包括核心层的情况为例对核心层的折射率分布规律进行说明，如图10所示，以超材料面板的前表面为XY平面，以天线的馈源等效点K在超材料面板前表面所在平面上的投影(图1中的O点)为坐标原点O，建立XYZ三维坐标系，馈源等效点K的坐标为(0，0，F)，核心层片层11任一点(x，y，0)的折射率满足如下公式：Vseg＝ss+λ×NUMseg(2)；dis＝d1+d2(5)；d2＝cosα×R-cosα×y(7)；ss＝cosα×R+sinα×F(8)；F表示馈源等效点K到超材料面板100的垂直距离；R表示定向传播天线罩的工作区域的有效半径；当超材料面板100呈方形时，有效半径即是指超材料面板100的边长的一半；当超材料面板呈圆形时，有效长度即是指超材料面板的半径(如图10和11所示)；D表示超材料面板100的厚度；α表示经过定向传播天线罩后出射的电磁波波束与超材料面板100所成的夹角；nmax表示核心层片层的折射率的最大值；nmin表示核心层片层的折射率的最小值；λ表示频率为所述天线中心频率的电磁波的波长；floor表示向下取整。例如，当(r处于某一数值范围)大于等于0小于1时，NUMseg取0，当(r处于某一数值范围)大于等于1小于2时，NUMseg取1，依此类推。为了能够减少损耗，还可以在上述实施例中的核心层两侧增加阻抗匹配层20(如图1所示)，阻抗匹配层片层21的折射率分布满足如下公式：其中，ni(x，y，0)表示第i个阻抗匹配层片层21上任一点(x，y，0)处的折射率值；i表示阻抗匹配层片层21的编号，靠近天线馈源的阻抗匹配层片层21的编号为m，向核心层方向编号依次减小，靠近核心层的阻抗匹配层片层21的编号为1；nmin为核心层片层11的折射率的最小值。由公式9可知，阻抗匹配层片层21某一处的折射率值与该处对应的核心层片层11的折射率相关。需要说明的是，这里的XYZ坐标系实际上是以超材料面板的核心层的前表面为XY平面，以天线的馈源等效点K在核心层前表面所在平面上的投影(如图1中的O点)为坐标原点O的，由于折射率分布仅与X、Y轴相关，与Z轴的坐标无关，因此，即便采用上述坐标系使得阻抗匹配层片层可能不在Z＝0的平面上，我们也视为其在Z＝0的平面上，也即Z＝0。图10所示的超材料面板的纵截面为圆形，当然还可以是其他形状，例如方形、椭圆形等等。图11示出了超材料面板的纵截面为方形的坐标系示意图。利用仿真软件(例如CST、COMSOL、MATLAB)来调节上述几个变量的值，以获得电磁波经过天线罩后能够很好的定向辐射。输出上述数据，即能得到针对某一特定角度α的较好的设计。本实施例中，所述第一人造微结构、第二人造微结构均为由铜线或银线构成的金属微结构，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法分别附着在第一基材、第二基材。优选地，所述第一人造微结构、第二人造微结构均为图5所示的平面雪花状的金属微结构通过拓扑形状演变得到的多个不同的拓扑形状的金属微结构。本实施例中，核心层片层11可以通过如下方法得到，即在第一前基板与第一后基板的任意一个的表面上覆铜，再通过蚀刻的方法得到多个第一金属微结构(多个第一金属微结构的形状与排布事先通过计算机仿真获得)，最后将第一前基板与第一后基板分别压合在一起，即得到本发明的核心层片层，压合的方法可以是直接热压，也可以是利用热熔胶连接，当然也可是其它机械式的连接，例如螺栓连接。同理，阻抗匹配层片层21也可以利用相同的方法得到。然后分别将多个核心层片层压合一体，即形成了本发明的核心层；同样，将多个阻抗匹配层片层压合一体，即形成了本发明的阻抗匹配层；将核心层、阻抗匹配层压合一体即得到本发明的超材料面板100。本实施例中，所述第一基材、第二基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。高分子材料可选用的有F4B复合材料、FR-4复合材料、PS(聚苯乙烯)等。优选地，本发明中，所述第一基材的第一前基板与第一后基板采用相同的PS；同样，本发明中，所述第二基材的第二前基板与第二后基板也采用相同PS。图5所示为平面雪花状的金属微结构的示意图，所述的雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。图6是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构。其在每个第一金属分支F1及每个第二金属分支F2的两端均连接有完全相同的第三金属分支F3，并且相应的第三金属分支F3的中点分别与第一金属分支F1及第二金属分支F2的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的金属微结构。图7是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，第一金属线J1与第二金属线J2不是直线，而是弯折线，第一金属线J1与第二金属线J2均设置有两个弯折部WZ，但是第一金属线J1与第二金属线J2仍然是垂直平分，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一金属线与第二金属线上的相对位置，使得图7所示的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一金属线J1与第二金属线J2均设置多个弯折部WZ。本实施例中，所述核心层片层11可以划分为阵列排布的多个如图2所示的超材料单元D，每个超材料单元D包括前基板单元U、后基板单元V及设置在前基板单元U、后基板单元V之间的第一人造微结构12，通常超材料单元D的长宽高均不大于五分之一波长，优选为十分之一波长，因此，根据天线的工作频率可以确定超材料单元D的尺寸。图2为透视的画法，以表示第一人造微结构的超材料单元D中的位置，如图2所示，所述第一人造微结构夹于基板单元U、后基板单元V之间，其所在表面用SR表示。已知折射率其中μ为相对磁导率，ε为相对介电常数，μ与ε合称为电磁参数。实验证明，电磁波通过折射率非均匀的介质材料时，会向折射率大的方向偏折。在相对磁导率一定的情况下(通常接近1)，折射率只与介电常数有关，在第一基材选定的情况下，利用只对电场响应的第一人造微结构可以实现超材料单元折射率的任意值(在一定范围内)，在该天线中心频率下，利用仿真软件，如CST、MATLAB、COMSOL等，通过仿真获得某一特定形状的人造微结构(如图5所示的平面雪花状的金属微结构)的介电常数随着拓扑形状的变化折射率变化的情况，即可列出一一对应的数据，从而设计出我们需要的特定折射率分布的核心层片层11，同理可以得到阻抗匹配层片层21的折射率分布，从而得到整个超材料面板100的折射率分布。本实施例中，核心层片层11的结构设计可通过计算机仿真(CST仿真)得到，具体如下：(1)确定第一金属微结构的附着基材(第一基材)。本明中，所述第一基材的第一前基板与第一后基板采用相同的PS板，所述的PS板具有一个预定的介电常数，例如介电常数为2.7的PS板。(2)确定超材料单元的尺寸。超材料单元的尺寸的尺寸由天线的中心频率得到，利用频率得到其波长，再取小于波长的五分之一的一个数值作为超材料单元D的长度CD与宽度KD。本发明中，所述超材料单元D为如图2所示的长CD与宽KD均为2.5mm、厚度HD为1.018mm的方形小板。(3)确定金属微结构的材料及拓扑结构。本发明中，金属微结构的材料为铜，金属微结构的拓扑结构为图5所示的平面雪花状的金属微结构，其线宽W各处一致；此处的拓扑结构，是指拓扑形状演变的基本形状。(4)确定金属微结构的拓扑形状参数。如图5所示，本发明中，平面雪花状的金属微结构的拓扑形状参数包括金属微结构的线宽W，第一金属线J1的长度a，第一金属分支F1的长度b。(5)确定金属微结构的拓扑形状的演变限制条件。本发明中，金属微结构的拓扑形状的演变限制条件有，金属微结构之间的最小间距WL(即如图5所示，金属微结构与超材料单元的长边或宽边的距离为WL/2)，金属微结构的线宽W，超材料单元的尺寸；由于加工工艺限制，WL大于等于0.1mm，同样，线宽W也是要大于等于0.1mm。第一次仿真时，WL可以取0.1mm，W可以取0.3mm，超材料单元的尺寸为长与宽为2.5mm，厚度为1.018mm，此时金属微结构的拓扑形状参数只有a和b两个变量。金属微结构的拓扑形状通过如图8至图9所示的演变方式，对应于某一特定频率(例如11.95GHZ)，可以得到一个连续的折射率变化范围。具体地，所述金属微结构的拓扑形状的演变包括两个阶段(拓扑形状演变的基本形状为图5所示的金属微结构)：第一阶段：根据演变限制条件，在b值保持不变的情况下，将a值从最小值变化到最大值，此演变过程中的金属微结构均为“十”字形(a取最小值时除外)。本实施例中，a的最小值即为线宽W，a的最大值为(CD-WL)。因此，在第一阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图8所示，即从边长为W的正方形JX1，逐渐演变成最大的“十”字形拓扑形状JD1。在第一阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)。第二阶段：根据演变限制条件，当a增加到最大值时，a保持不变；此时，将b从最小值连续增加到最大值，此演变过程中的金属微结构均为平面雪花状。本实施例中，b的最小值即为线宽W，b的最大值为(CD-WL-2W)。因此，在第二阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图9所示，即从最大的“十”字形拓扑形状JD1，逐渐演变成最大的平面雪花状的拓扑形状JD2，此处的最大的平面雪花状的拓扑形状JD2是指，第一金属分支J1与第二金属分支J2的长度b已经不能再伸长，否则第一金属分支与第二金属分支将发生相交。在第二阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)。通过上述演变得到超材料单元的折射率变化范围如果满足设计需要(即此变化范围包含了nmin～nmax的范围)。如果上述演变得到超材料单元的折射率变化范围不满足设计需要，例如最大值太小，则变动WL与W，重新仿真，直到得到我们需要的折射率变化范围。根据公式(1)至(11)，将仿真得到的一系列的超材料单元按照其对应的折射率排布以后(实际上就是不同拓扑形状的多个第一人造微结构在第一基材上的排布)，即能得到本实施例的核心层片层。同理，可以得到本实施例的阻抗匹配层片层。图12是本发明另一种实施例的结构示意图。在本实施中，不同的是超材料面板100被分成四个单元板1000，四个单元板1000之间通过铰接的方式，可以折叠在一起。这样有利于天线罩的加工制造以及安装维护，多个单元板可拆卸的连接，或者多个单元板通过可转动的连接方式可以折叠，只占据很小的面积。单元板1000的形成可以有以下两种方式：(1)整体加工后割裂成片，这种方式适合较小的面积的超材料平板。(2)设计好超材料面板的整体结构参数，在制造前即将其分成多个单元板1000，对这些单元板单独加工制造。这种方式非常适合超大型的超材料面板加工。单元板，优选地采用同样的尺寸，这样方便叠在一起，单元板的数量可以根据需要设定。多个单元板1000可拆卸的连接，例如可以是螺栓连接、粘接、卡扣连接等。本实施例中，优选地，多个单元板1000通过可转动的连接方式可以折叠。在不同的应用场景，可，对天线罩的形状进行共形设计。图中示意的天线罩的形状为平板状，在实际设计时也可以根据依据天线的具体需求来设计天线罩的形状，比如可以设计成圆球状或者与天线形状匹配的形状(共形的天线罩)等，本发明对此不作限制。本发明还提供一种定向天线系统，包括天线及如上所述的定向传播天线罩，定向传播天线罩固定在所述天线上。定向传播天线罩的具体内容如上所述，此处不再赘述。本发明通过精确设计核心层的折射率分布，使得天线馈源发出的电磁波经超材料面板后能够形成以特定角度出射的平面波，制造加工更加容易，成本更加低廉。另外依此设计的超材料面板整体厚度在毫米级别，相当的轻薄。而且可以根据不同的角度需求设计核心层的折射率分布，满足不同的定向需求。本发明提供的天线罩使得本不具备定向功能的天线能够实现定向传播，满足定向需求。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。