专利名称：一种具有天线罩的天线系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种天线系统，具体地涉及一种具有天线罩的天线系统。
背景技术：
天线通常置于露天工作，直接受到自然界中暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等的侵袭，致使天线精度降低、寿命缩短以及工作可靠性变差。天线罩可以保护天线系统免受外部环境影响。可以提高天线系统的稳定性，同时减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长天线的使用寿命。对于高速飞行的飞行器中的天线，天线罩还可以解决高温、空气动力负荷和其他负荷给天线带来的问题。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，在一定程度上影响天线的电气性能。超材料作为一种材料设计理念以及研究前沿，越来越引起人们的关注，所谓超材料，是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过对材料的物理结构进行有序设计，可突破某些天然材料的限制，从而获得超出自然界固有的普通材料的超常性能。超材料包括由金属线构成的具有一定图案形状的的人造微结构和人造微结构所附着的基材，多个人造微结构在基材上阵列排布，基材对人造微结构起到支撑作用，可为任何与人造微结构不同的材料。这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了材料整体的电场响应与磁场响应。人造微结构的等效介电常数和等效磁导率由超材料基本单元的几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。由于人造微结构可以具有人为设计的电磁参数，从而超材料可以产生许多新奇的现象，为实现电磁波的汇聚提供了可能。各向异性的超材料中的每个人造微结构为非90度旋转对称结构，即绕微结构上任一轴旋转90度后与微结构旋转之前不重合，如“ I ”形或者“ I ”形的衍生形如“ $，，形，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向。
发明内容
本发明要解决的技术问题是天线露天工作时容易受到自然界中暴风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射的侵袭导致天线精度降低，以及现有天线罩容易对天线发出的电磁波产生吸收和反射的缺陷，提供一种具有超材料天线罩的天线系统，该系统既可以保护天线不受外部环境的干扰，又可以对天线发出的电磁波进行汇聚提高天线的方向性。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种具有天线罩的天线系统，包括天线罩、位于天线罩内的天线、以及支撑天线罩的天线支架，所述天线罩包括具有各向异性的超材料面板，所述超材料面板由超材料片层堆叠而成，每个超材料片层包括片状的基板和附着在基板上的多个人造微结构，每个人造微结构为非90度旋转对称结构,每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于所述天线发出的电磁波的传播方向，所述超材料面板沿天线发出的电磁波的入射方向看过去折射率相对于所述超材料面板的中心轴径向对称且随着半径的增加折射率逐渐变小同时折射率的变化率逐渐增大。在本发明的优选实施方式中，所述超材料的人造微结构相对于所述中心轴径向对称排布，相对于中心轴径向对称排布的所述人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴延长后相交于所述中心轴上的一点，且所述非寻常光光轴的延长线相交形成一个夹角，所述夹角的开口方向与天线发出的电磁波的传播方向相反。在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构具有相同的几何形状。在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构相对于所述中心轴径向对称分布，所述人造微结构的尺寸随折射率的减小而减小，所述人造微结构随着半径的增大所述人造微结构的尺寸逐渐减小。在本发明的优选实施方式中，相同半径且沿所述中心轴的轴向平行的一行人造微结构其对应的各个折射率椭球的非寻常光光轴相互平行。 在本发明的优选实施方式中，相同半径且沿轴向平行的一行人造微结构其尺寸相同。在本发明的优选实施方式中，所述超材料面板的入射面和出射面设置有阻抗匹配层。在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于所述基材上。在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构为“ I ”形在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构为“ I ”形的衍生形。实施本发明的天线系统，具有以下有益效果该天线系统由于具有天线罩，可以使天线免受外部环境的影响，另外由于使用各向异性的超材料做为天线罩并且通过设计折射率由中间向周围逐渐减小，可以进一步提高天线的方向性；另外通过在超材料面板的入射面和出射面分别设置阻抗匹配层可以减少对天线发出的电磁波的吸收和反射。
图I是天线系统的结构的示意图；图2是天线发出的电磁波经过超材料面板的示意图；图3是中间位置的超材料片层的结构示意图；图4是中间位置的超材料片层对天线发出的电磁波汇聚的示意图；图5是位于中间位置的超材料片层折射率变化的示意图；图6是带有阻抗匹配层的超材料片层的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细描述。如图I所示，本实施例提供的天线系统包括天线罩3、位于天线罩内的天线2、以及支撑天线罩的天线支架4，天线罩3包括具有汇聚功能的各向异性的超材料面板1，天线2位于超材料面板I的焦点上，焦点位于超材料面板的中心轴线的方向上，如图2所示,超材料面板I由多个超材料片层沿Z轴方向叠加在一起，每个超材料片层由片状的基板和附着在基板上的人造微结构组成，每片基板虚拟地划分为多个完全相同的相互紧挨着的立方体基材单元，这些基材单元以X轴方向为行、以与之垂直的Y轴方向为列依次阵列排布。基材单元的边长通常为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。每个基材单元上附着有一个人造微结构，基材单元和附着在基材单元上的人造微结构共同构成一个超材料单元，超材料面板I可看作是由多个超材料单元沿X、Y、Z三个方向阵列排布而成。位于超材料面板中间位置的超材料片层如图3所示，人造微结构为“I”形，包括相对中心轴00’对称的上下两个区域，在不同区域内，沿X轴方向的超材料单元中的人造微结构尺寸相同，上半区域沿Y轴方向的超材料单元中的人造微结构尺寸逐渐增大，下半区域沿Y轴方向的超材料单元中的人造微结构尺寸逐渐减小，每个“I”形人造微结构为非90度旋转对称结构，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于辐射单元发出的电磁波的传播方向。该超材料片层的折射率分布规律如图4和图5所示，其中nil > nl2 > nl3 > nl4，(nl3-nl4) > (nl2_nl3) > (nll_nl2),折射率与微结构的尺寸成正比,超材料片层的人造微结构相对于中心轴00’对称排布，“I”形人造微结构对应的折射率椭球的非寻常光光轴与“ I ”形中间连接线的方向一致，相对于中心轴对称排布的人造微结构的折射率椭球的非寻常光轴延长后相交于中心轴上的一点，且所述非寻常光光轴延长线相交形成一个夹角，所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方向相反。多个超材料片层叠加而成的超材料面板上的金属微结构相对于中心轴00’径向对称排布，超材料面板沿天线发出的电磁波的传播方向看过去折射率相对于中心轴00’径向对称即相同半径处的折射率相同，且随着半径的增加折射率逐渐变小同时折射率的变化率逐渐增大。需要说明的是，由于实际上超材料单元是一个立方体而非一个点，因此折射率相同的超材料单元近似排列成圆形，更准确地，折射率相同的超材料单元是分布在一个锯齿形圆周上的。超材料面板根据天线罩的具体需要可以截取入射面为正方形的方形柱体如图2也可以截取入射面为圆形的圆柱体。为了减少天线2发出的电磁波在超材料面板I上的反射和吸收，在超材料面板I沿X轴方向的两个面(天线发出的电磁波的入射面和出射面)上可以分别附着一个阻抗匹配层，如图6所示，在电磁波的入射面附着一个阻抗匹配层D1，在电磁波的出射面上附着阻抗匹配层D2。每个阻抗匹配层Dl和D2分别包括4个阻抗匹配片层，附着在入射面上的阻抗匹配层Dl的不同阻抗匹配片层的折射率由空气的折射率逐渐过渡到超材料面板沿X轴方向对应的折射率，附着在出射面上的阻抗匹配层D2的不同阻抗匹配片层的折射率沿X轴方向由超材料面板的折射率逐渐过渡到空气的折射率，即沿X轴方向，折射率由空气到Dl再到超材料面板逐渐过渡，同样，折射率由超材料面板到D2再到空气逐渐过渡。 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，比如人造微结构还可以是“I”形的衍生形如，，形等。这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.ー种具有天线罩的天线系统，包括天线罩、位干天线罩内的天线、以及支撑天线罩的天线支架，其特征在于，所述天线罩包括具有各向异性的超材料面板，所述超材料面板由超材料片层堆叠而成，每个超材料片层包括片状的基板和附着在基板上的多个人造微结构，每个人造微结构为非90度旋转对称结构，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于所述天线发出的电磁波的传播方向，所述超材料面板沿天线发出的电磁波的入射方向看过去折射率相对于所述超材料面板的中心轴径向对称且随着半径的増加折射率逐渐变小同时折射率的变化率逐渐増大。
2.根据权利要求I所述的天线系统，其特征在于，所述超材料的人造微结构相对于所述中心轴径向对称排布,相对于中心轴径向对称排布的所述人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴延长后相交于所述中心轴上的一点，且所述非寻常光光轴的延长线相交形成一个夹角，所述夹角的开ロ方向与天线发出的电磁波的传播方向相反。
3.根据权利要求2所述的天线系统，其特征在于，所述人造微结构具有相同的几何形状。
4.根据权利要求3所述的天线系统，其特征在于，所述人造微结构相对于所述中心轴径向对称分布，所述人造微结构的尺寸随折射率的减小而减小，所述人造微结构随着半径的增大所述人造微结构的尺寸逐渐减小。
5.根据权利要求4所述的天线系统，其特征在于，相同半径且沿所述中心轴的轴向平行的一行人造微结构其对应的各个折射率椭球的非寻常光光轴相互平行。
6.根据权利要求5所述的天线系统，其特征在于，相同半径且沿轴向平行的一行人造微结构其尺寸相同。
7.根据权利要求I至6任一所述的天线系统，其特征在于，所述超材料面板的入射面和出射面设置有阻抗匹配层。
8.根据权利要求7所述的天线系统，其特征在于，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻亥IJ、光刻、电子刻或离子刻附着于所述基材上。
9.根据权利要求8所述的天线系统，其特征在于，所述人造微结构为“I”形。
10.根据权利要求9所述的天线系统，其特征在于，所述人造微结构为“I”形的衍生形。
全文摘要
本发明提供了一种具有天线罩的天线系统，包括天线罩、位于天线罩内的天线、以及支撑天线罩的天线支架，所述天线罩包括具有各向异性的超材料面板，所述超材料面板由超材料片层堆叠而成，每个超材料片层包括片状的基板和附着在基板上的多个人造微结构，每个人造微结构为非90度旋转对称结构，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于所述天线发出的电磁波的传播方向，所述超材料面板沿天线发出的电磁波的入射方向看过去折射率相对于所述超材料面板的中心轴径向对称且随着半径的增加折射率逐渐变小同时折射率的变化率逐渐增大。该天线系统由于具有天线罩，可以使天线免受外部环境的影响同时具有较好的方向性。
文档编号H01Q1/42GK102800959SQ20111014575
公开日2012年11月28日 申请日期2011年6月1日 优先权日2011年6月1日
发明者刘若鹏, 徐冠雄, 杨松涛, 陈智超 申请人:深圳光启高等理工研究院, 深圳光启创新技术有限公司