专利名称：透波超材料及其天线罩和天线系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料，更具体地说，涉及透波超材料及其天线罩和天线系统。
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。但是天线罩是天线前面的障碍物，对天线辐射波会产生吸收和反射，改变天线的自由空间能量分布，并在一定程度上影响天线的电气性能。目前制备天线罩的材料多采用介电常数和损耗角正切低、机械强度高的材料，如玻璃钢、环氧树脂、高分子聚合物等，材料的介电常数具有不可调节性。结构上多为均匀单壁结构、夹层结构和空间骨架结构等，罩壁厚度的设计需兼顾工作波长、天线罩尺寸和形状、环境条件、所用材料在电气和结构上的性能等因素，较难达到高透波要求，即使在保证高透射率的条件下也不具备选择性透波功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述透波性能较差的缺陷，提供透波超材料及其天线罩和天线系统。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种透波超材料，包括第一基板和第二基板，第一基板和第二基板之间夹设有一层阵列排布的中心开孔的方形贴片，第一基板的外表面和第二基板的外表面阵列排布的圆形贴片。在本发明所述的透波超材料中，第一基板的外表面上阵列排布的圆形贴片与第二基板的外表面上阵列排布的圆形贴片的形状和尺寸相同。在本发明所述的透波超材料中，所述透波超材料可划分为多个超材料单元，每一超材料单元包括第一基板单元、第二基板单元，还包括依次排布在第一基板单元外表面、第一基板单元和第二基板单元之间、第二基板单元外表面的圆形贴片、中心开孔的方形贴片、圆形贴片。在本发明所述的透波超材料中，所述中心开孔的方形贴片紧贴所述超材料单元的边界。在本发明所述的透波超材料中，所述圆形贴片与所述超材料单元的边界之间间隔
预设距离。在本发明所述的透波超材料中，所述超材料单元的长和宽均为10mm。在本发明所述的透波超材料中，所述第一基板与第二基板由介电常数为2. 65、损耗角正切值为0. 002的材料制成。在本发明所述的透波超材料中，方形贴片的中心开孔为圆孔，直径为3_ ;圆形贴片的直径为8. 5mm。在本发明所述的透波超材料中，所述第一基板的厚度为0. 6mm，所述第二基板的厚 度为0. 6mm ;方形贴片和圆形金属贴片的厚度均为0. 018mm。本发明还提供一种天线罩，用于罩设在天线上，包括如上所述的透波超材料。本发明还提供一种天线系统，包括天线以及如上所述的天线罩，所述天线罩罩设于天线上。实施本发明的技术方案，具有以下有益效果通过在基板上附着特定形状的人造微结构，得到需要的电磁响应，使得基于超材料的天线罩的透波性能增强，抗干扰能力增力口。可以通过调节人造微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现与空气的阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制。本发明的透波超材料和天线罩透波效率高，损耗较小。天线加上天线罩后，天线的辐射能力得到了加强，有效提高了增益，辐射方向性增强。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图I是依据本发明一实施例的透波超材料的各组成部分的结构示意图；图2是依据本发明一实施例的超材料单元的结构示意图；图3是方形贴片的结构示意图；图4是圆形贴片的结构示意图；图5是圆形贴片11在第一基板10外表面的排布示意图；图6是方形贴片22夹设在第一基板10和第二基板20之间的排布示意图；图7是圆形贴片33在第二基板20外表面的排布示意图；图8是依据本发明一实施例的透波超材料的S参数随频率变化的示意图。
具体实施例方式超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料，通过对微结构的有序排列，可以改变空间中每点的相对介电常数和磁导率。超材料可以在一定范围内实现普通材料无法具备的折射率、阻抗以及透波性能，从而可以有效控制电磁波的传播特性。基于人造微结构的超材料天线罩可以通过调节人造微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现与空气的阻抗匹配，以最大限度的增加入射电磁波的透射。并可通过调节微结构尺寸进行频率选择，根据需要调整相应透波和滤波频率。
图I是依据本发明一实施例的透波超材料的各组成部分的结构示意图。为了清楚地示出每一组成部分，图I以爆炸图的形式示意。如图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之间夹设有一层阵列排布的中心开孔的方形贴片22,第一基板10的外表面和第二基板20的外表面阵列排布有圆形贴片11、33。在本发明一实施例中，第一基板10的外表面上阵列排布的圆形贴片11与第二基板的外表面上阵列排布的圆形贴片33的形状和尺寸相同。 在本发明中，为了清楚地描述方形贴片和圆形贴片的排布方式，将透波超材料虚拟划分为多个超材料单元100，如图2所示，每一超材料单元100包括第一基板单元101、第二基板单元201，还包括依次排布在第一基板单元101外表面、第一基板单元101和第二基板单元201之间、第二基板单元201外表面的圆形贴片11、中心开孔的方形贴片22、圆形贴片33。这里的圆形贴片和方形贴片可称之为人造微结构。在本发明一实施例中，超材料单元的长和宽a为10mm，也即第一基板单元101和第二基板单元201的长和宽为a=10mm。图中为了图示方便，仅划分了 9个超材料单元，见虚线划分所示，这里的划分仅为示意，不作 为对本发明的限制。阵列排布的人造微结构所在平面与电磁波的电场和磁场方向平行，与入射电磁波传播方向垂直。在本发明一实施例中，中心开孔的方形贴片22为正方形贴片，如图3所示，方形贴片22紧贴超材料单元100的边界，即方形贴片22的边长a与第一基板单元101和第二基板单元201的长和宽相等，与超材料单元的长和宽相等，可以为10mm。方形贴片22的中心开孔为圆孔，圆孔直径R为3mm。在本发明一实施例中，圆形贴片11、33排布在第一基板单元101和第二基板单元201的中心，圆形贴片11、33的直径为8. 5mm，与超材料单元100(或第一基板单元101和第二基板单元201)的边界之间间隔预设距离b，即圆形贴片的直径小于超材料单元的长和宽a。在本发明一实施例中，b=0. 75_。在本发明中，第一基板10的厚度为0. 6mm,第二基板20的厚度为0. 6mm。方形贴片22和圆形贴片11、33的厚度均为0. 018mm。方形贴片22和圆形贴片11、33均为金属贴片，例如可以是铜、银等金属。图5是圆形贴片11在第一基板10外表面的排布示意图；图6是方形贴片22夹设在第一基板10和第二基板20之间的排布示意图；图7是圆形贴片33在第二基板20外表面上的排布示意图。在本发明一实施例中，基板选择相对介电常数为2. 65，损耗角正切为0. 002的材料。第一基板10和第二基板20通过填充液态基板原料或者通过组装相互连接在一起。人造微结构(圆形贴片11、33，方形贴片22)通过蚀刻的方式附着在第一基板10和第二基板20上，当然人造微结构也可以采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式附着在基板。人造微结构采用铜线制成，当然也可以采用银线、IT0、石墨或者碳纳米管等导电材料制成。附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实际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，也不排除使用多个平板状结构拼接成需要的形状，本发明对此不作限制。本发明的透波超材料的S参数随频率变化的示意图如图8所示，第一基板10和第二基板20选择相对介电常数为2. 65，损耗角正切为0. 002的材料。由图8可知，本发明的透波超材料在较宽的频带例如X波段的透波性能都很好，特别是10-11. 5GHz频率范围内透波系数S21参数接近于OdB，而反射系数Sll小于_20dB，具有良好的透波效果。而在X波段以外频率范围内的反射系数Sll几乎接近于0，使得有用的频段透过，实现选择性透波，具有良好的频率选择特性。调节圆形贴片11、33，方形贴片22的具体尺寸，能够改变透波的通带频率范围，可依据实际需要来调整人造微结构的尺寸。本发明还提供一种天线罩，用于罩设在天线上，包括如上所述的透波超材料。本发明还提供一种天线系统，包括天线以及如上所述的超材料天线罩，超材料天线罩罩设于天线上。天线包括辐射源、馈电单元等，具体构成可参阅相关技术资料，本发明对此不作限制。天线可以是例如但不限于平板天线。本发明通过在基板上附着特定形状的人造微结构，得到需要的电磁响应，使得基于超材料的天线罩的透波性能增强，抗干扰能力增加。可以通过调节人造微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而实现与空气的阻抗匹配，以最大限度 的增加入射电磁波的透射，减少了传统天线罩设计时对材料厚度和介电常数的限制。而且本发明的透波超材料和天线罩在X波段内的透波效率很高，损耗较小，而且具有选择性透波功能。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。
权利要求
1.一种透波超材料，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间夹设有一层阵列排布的中心开孔的方形贴片，第一基板的外表面和第二基板的外表面阵列排布的圆形贴片。
2.根据权利要求I所述的透波超材料，其特征在于，第一基板的外表面上阵列排布的圆形贴片与第二基板的外表面上阵列排布的圆形贴片的形状和尺寸相同。
3.根据权利要求2所述的透波超材料，其特征在于，所述透波超材料可划分为多个超材料单元，每一超材料单元包括第一基板单元、第二基板单元，还包括依次排布在第一基板单元外表面、第一基板单元和第二基板单元之间、第二基板单元外表面的圆形贴片、中心开孔的方形贴片、圆形贴片。
4.根据权利要求3所述的透波超材料，其特征在于，所述中心开孔的方形贴片紧贴所述超材料单元的边界。
5.根据权利要求4所述的透波超材料，其特征在于，所述圆形贴片与所述超材料单元的边界之间间隔预设距离。
6.根据权利要求4所述的透波超材料，其特征在于，所述超材料单元的长和宽均为IOmm0
7.根据权利要求6所述的透波超材料，其特征在于，所述第一基板与第二基板由介电常数为2. 65、损耗角正切值为O. 002的材料制成。
8.根据权利要求7所述的透波超材料，其特征在于，方形贴片的中心开孔为圆孔，直径为3mm ;圆形贴片的直径为8. 5mm。
9.一种天线罩，其特征在于，用于罩设在天线上，包括如权利要求广8任一项所述的透波超材料。
10.一种天线系统，其特征在于，包括天线以及如权利要求9所述的天线罩，所述天线罩罩设于天线上。
全文摘要
本发明涉及透波超材料及其天线罩和天线系统。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间夹设有一层阵列排布的中心开孔的方形贴片，第一基板的外表面和第二基板的外表面阵列排布的圆形贴片。本发明的透波超材料及其天线罩和天线系统的透波效率很高，损耗较小，而且具有选择性透波功能。
文档编号H01Q1/42GK102760964SQ201210226218
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月3日 优先权日2012年7月3日
发明者付少丽, 刘若鹏, 方小伟, 赵治亚 申请人:深圳光启创新技术有限公司