基于频率触发机制的超材料天线罩的制作方法

本发明属于天线技术领域，涉及一种超材料天线罩，具体涉及一种基于频率触发机制的超材料天线罩，可用于电磁防护领域。

技术背景

超材料作为一种新型人工电磁材料，具有强烈的频率触发机制和电磁波调控能力，能满足宽频带大角度透波设计和电磁屏蔽设计的多重需求。超材料的频率触发机制指的是当一个特定频率的电磁波入射至超材料时，超材料表面的谐振环结构将会发生谐振，使入射至超材料表面的电磁波发生反射或透射。

通常，天线系统都会设置天线罩，它是由天然或人造电介质材料制成的覆盖物，或是由桁架支撑的电介质壳体构成的特殊形状的电磁窗口。天线罩可以有效地使天线和整个微波系统保证正常工作，具有防风沙、耐高温、较好的力学承载能力，如2012年，张锦在名为“大型天线罩的结构分析”的硕士论文中，介绍了不同的天线罩结构，按截面形式可分为均匀单层、a型夹层、b型夹层、c型夹层、多层结构、含金属物的人工介质以及空间骨架结构；根据夹层材料又分为泡沫夹层和蜂窝夹层结构；上述天线罩结构主要作用是保护天线系统免受恶劣环境的影响并实现单纯透波，但其缺陷是不具备电磁防护能力。

为实现电磁防护，基于频率触发特性的超材料天线罩被提出，如申请公布号为cn102760965a，名称为“大角度透波超材料及其天线罩和天线系统”的专利申请，公开了一种大角度透波的超材料天线罩，包括多个超材料片层，每个超材料片层包括基板和阵列排布在基板上的多个形状和尺寸相同的人造微结构，相邻层之间的人造微结构形状不同，能够在19～22ghz的频段内实现大角度透波，且在大角度入射情况下，损耗相对稳定，能够保持较高的透波率，并屏蔽其他频段的电磁波；但上述技术存在的缺陷是一方面，电磁防护不是针对电磁干扰所在频段，而是直接屏蔽除透波频带外其他所有频带的电磁波，导致电磁防护不够灵活；另一方面，天线罩的透波频带较窄，在不同的频段需求下需要更换天线罩；最后，单纯的利用超材料结构构建天线罩的力学承载往往不够，而均匀单层、a型夹层、b型夹层、c型夹层、多层结构、含金属物的人工介质以及空间骨架结构的天线罩设计并不具备电磁透波和电磁防护的频率选择性设计。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于频率触发机制的超材料天线罩，旨在保证天线罩物理强度的前提下提高天线罩的透波率，并提高电磁防护的灵活性，同时拓宽透波频段。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括相互层叠的天线罩支撑层1和多层超表面2；所述天线罩支撑层1采用电介质平板或电介质壳体材料制成的覆盖物，用于保证天线罩的物理强度和力学承载；所述多层超表面2采用由至少两层第一介质基板21和夹持在相邻第一介质基板21之间的第二介质基板22组成的层叠结构，所述第一介质基板21的两个侧面分别印制有至少三个均匀排布的环形金属贴片211，用于实现天线罩的频率触发特性，所述第一介质基板21的介电常数大于第二介质基板22的介电常数。

上述基于频率触发机制的超材料天线罩，所述第一介质基板21，其两个侧面上印制的至少三个均匀排布的环形金属贴片211关于第一介质基板21镜像对称，所述环形金属贴片211为方形环金属贴片，各方环形金属贴片的尺寸相等且侧边平行。

上述基于频率触发机制的超材料天线罩，所述第一介质基板21和第二介质基板22均采用柔性材料。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明由于第一介质基板两个板面印制有环形金属贴片，保证多层超表面具有较高的透波率，而多层超表面的透波频段不会触发超表面上环形金属贴片的谐振，因此透波强度不受天线罩支持层的影响，与现有技术相比，在保证天线罩物理强度的前提下，提高了天线罩的透波率。

2、本发明的多层超表面采用由至少两层第一介质基板和夹持在相邻第一介质基板之间的第二介质基板组成的层叠结构，第一介质基板的两个侧面分别印制有至少三个均匀排布的环形金属贴片，一方面能够实现特定频段的电磁防护，另一方面拓宽了天线罩的透波频带，与现有技术相比，实现了35ghz下的电磁防护，同时保证0～30ghz下的大角度宽频带透波，提高了天线罩电磁防护的灵活性，并拓宽了透波频带。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例第一介质基板一侧板面的结构示意图；

图3是本发明实施例天线罩支撑层在0～40ghz下的传输曲线图；

图4(a)是本发明实施例多层超表面在0～40ghz下的传输曲线图，图4(b)是图4(a)的放大图；

图5(a)是本发明实施例在0～40ghz下的传输曲线图，图5(b)是图5(a)的放大图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的描述。

参照图1，本发明包括相互层叠的天线罩支撑层1和多层超表面2。

所述天线罩支撑层1采用电介质平板或电介质壳体材料制成的覆盖物，用于保证天线罩的物理强度和力学承载；

在本实施中，天线罩支撑层1采用采用a夹层结构天线罩，其芳纶蜂窝基板的介电常数为1.15，损耗为0.0016，厚度为15mm，玻璃钢蒙皮的介电常数为4.1，损耗为0.011，厚度为0.4mm，蜂窝通孔尺寸不做限定。上述尺寸不作为本发明所用天线罩支撑层的限定。

所述多层超表面2采用由至少两层第一介质基板21和夹持在相邻第一介质基板21之间的第二介质基板22组成的层叠结构，所述第一介质基板21的两个侧面分别印制有至少三个均匀排布的环形金属贴片211，用于实现天线罩的频率触发特性，所述第一介质基板21的介电常数大于第二介质基板22的介电常数，第二介质基板作为多层超表面2的支撑层，为保证透波性能，要求采用低介电常数的基板；所述第一介质基板21，其两个侧面上印制的至少三个均匀排布的环形金属贴片211关于第一介质基板21镜像对称，所述环形金属贴片211为方形环金属贴片，各方环形金属贴片的尺寸相等且侧边平行；

在本实施例中，x的取值为3，所述第一介质基板21采用介电常数为2.65，厚度为0.4mm的f4b介质基板，所述的第二介质基板采用介电常数为1.15，厚度为0.4mm的介质基板。上述尺寸不作为对本发明多层超表面2的限制。

所述第一介质基板21和第二介质基板22均采用柔性材料。

参照图2，所述的第一介质基板21上层印制有数个周期排布的环形金属贴片211，为了图示方便，这里仅展示了9个贴片单元，这里不对环形金属贴片211的数目构进行限制，针对不同的情况有不同的设置。在本实施例中，所述环形金属贴片211以4mm*4mm的周期进行均匀排列，环形金属贴片211外径边长为1.58mm，宽为0.2mm。上述尺寸不作为对本发明环形金属贴片211的限制。

本发明天线罩的原理如下：所述天线罩支撑层1为电介质平板或电介质壳体材料制成的覆盖物，用于保证天线罩的物理强度和力学承载；所述的多层超表面2实现本发明超材料天线罩的频率触发机制，具体功能如下：当所要屏蔽频段的电磁波入射至本发明的超材料天线罩时，将会触发环形金属贴片211发生谐振，阻止该频段的电磁波通过超材料表面，隔离电磁干扰，保证天线系统的正常工作；当其他频段的电磁波通过本发明的超材料天线罩时，将不会产生频率触发，保证电磁波的正常穿透。

以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。

1.仿真条件和内容。

1.1仿真条件

使用商业仿真软件cstmicrowavestudio对上述实施例进行。

1.2仿真内容：

利用cst软件对天线罩支撑层1、多层超表面2和基于频率触发机制的超材料天线罩在0～40ghz下入射角变化为0度、20度、40度、60度和80度的传输曲线进行无限周期阵列仿真，仿真结构如图3、图4和图5所示。

1.3仿真结果

参照图3，从仿真结果可以看出，当入射角从0度、20度、40度、60度和80度变化时，天线罩支撑层1的s21最低为-2.6db，位于28ghz处，说明了天线罩支撑层1单元在0～40ghz透波良好。

参照图4，从仿真结果可以看出，当入射角从0度、20度、40度、60度和80度时，多层超表面2实现了38ghz的电磁屏蔽，且在0～37ghz保持良好的透波特性，其s21最低为-2.7db，位于30.4ghz处。

参照图5，从仿真结果可以看出，当入射角从0度、20度、40度、60度和80度时，本实施例同时能够实现35ghz的电磁防护，其s21低于-40db，能够完美的避免电磁干扰，保证天线系统正常工作；在0～30ghz下实现了高效透波，其s21最低为-2.4db，说明了0～30ghz时透波效果良好，完美的实现了宽频带大角度透波。

通过结合天线罩支撑层1和多层超表面2，在保证天线罩物理强度的前提下提高天线罩的透波率，并提高电磁防护的灵活性，同时拓宽透波频段。在实际应用中，通过调节环形金属贴片211的尺寸，可以改变介质基板的厚度、介电常数，从而使通带向低频或高频移动，改变通带带宽和电磁防护频段。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。