宽频透波材料及其天线罩和天线系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及宽频透波材料及其天线罩和天线系统。宽频透波材料，用于实现宽频透波，包括由非金属材料制成的多层基板以及夹设在多层基板之间且阵列排布的多个第一人造微结构；所述透波材料还包括附着于所述多层基板中的两层最外层基板的外表面上的第二人造微结构，所述第二人造微结构与所述第一人造微结构不相同。本发明的宽频透波材料及其天线罩和天线系统在2~18GHz宽频带内的透波效率很高。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。
【专利说明】宽频透波材料及其天线罩和天线系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及天线罩，更具体地说，涉及宽频透波材料及其天线罩和天线系统。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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，在保护天线免受外部环境影响的条件下不具备增强天线方向性和提高天线增益的功能，透波性能较差。而且，天线罩的工作频段较窄，在不同的频段需求下需要更换天线罩，无法实现资源的重复使用，导致资源的浪费以及设备成本的提闻。
【发明内容】
[0004]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、工作频段较窄的缺陷，提供一种宽频透波材料及其天线罩和天线系统。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种透波材料，用于实现宽频透波，包括由非金属材料制成的多层基板以及夹设在多层基板之间且阵列排布的多个第一人造微结构；所述透波材料还包括附着于所述多层基板中的两层最外层基板的外表面上的第二人造微结构，所述第二人造微结构与所述第一人造微结构不相同。
[0006]在本发明所述的宽频透波材料中，所述宽频透波材料包括四层基板。
[0007]在本发明所述的宽频透波材料中，所述第一人造微结构为十字形结构，所述第二人造微结构为方环结构。
[0008]在本发明所述的宽频透波材料中，相邻的十字形结构的中心之间的间距相等，相邻的方环结构的中心之间的间距相等，且相邻的十字形结构的中心之间的间距等于相邻的方环结构的中心之间的间距。
[0009]在本发明所述的宽频透波材料中，所述十字形结构由两条尺寸相同且垂直平分的金属线构成。
[0010]在本发明所述的宽频透波材料中，所述金属线的线宽处处相等，所述金属线的线长为I?3mm，线宽为0.02?0.08mm。
[0011]在本发明所述的宽频透波材料中，所述方环结构为正方环形结构，且所述正方环形结构的边长大于所述金属线的线长。
[0012]在本发明所述的宽频透波材料中，相邻的十字形结构之间预留有空隙，且相邻的方环结构之间预留有空隙。
[0013]本发明还提供一种天线罩，用于罩设在天线上，包括如上所述的宽频透波材料。
[0014]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。
[0015]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。本发明的宽频透波材料及其天线罩和天线系统在2?18GHz宽频带内的透波效率很高，而且能够屏蔽其它频段，保证天线正常工作。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。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0017]图1是依据本发明一实施例的宽频透波材料的结构侧视图；
[0018]图2是第一人造微结构构成的第二金属层示意图；
[0019]图3是图2所示的单个第一人造微结构的示意图；
[0020]图4是第二人造微结构在基板10外表面的排布示意图；
[0021]图5是图4所示的单个第二人造微结构的示意图；
[0022]图6是第二人造微结构在基板40外表面的排布示意图；
[0023]图7是依据本发明一实施例的宽频透波材料的S21参数仿真示意图；
[0024]图8是依据本发明一实施例的宽频透波材料的Sll参数仿真示意图。
【具体实施方式】
[0025]本发明提供一种宽频透波材料，用于实现宽频透波，包括由非金属材料制成的多层基板夹设在多层基板之间且阵列排布的多个第一人造微结构，宽频透波材料还包括附着于多层基板中的两层最外层基板的外表面上的第二人造微结构。基板的数量本发明不做限制，例如可以是三层基板、四层基板、五层基板甚至更多。
[0026]如图1所示，作为优选实施例，宽频透波材料包括四层基板10、20、30、40，以及夹设在多层基板10、20、30、40之间且阵列排布的多个第一人造微结构11 ;宽频透波材料还包括附着于多层基板10、20、30、40中的两层最外层基板10、40的外表面上的第二人造微结构22，其中第二人造微结构22与所述第一人造微结构11不相同。基板10、20之间的多个第一人造微结构11构成第二金属层2,基板20、30之间的多个第一人造微结构11构成第三金属层3，基板30、40之间的多个第一人造微结构11构成第四金属层4。宽频透波材料的最外层基板是基板10和基板40,基板10的外表面上的多个第二人造微结构22构成第一金属层I，基板40的外表面上的多个第二人造微结构22构成第五金属层5。
[0027]第一、第二人造微结构11、22为导电材料制成的具有一定几何图案的平面结构。这里的导电材料，可以是金、银、铜等导电性能良好的金属材料，或者主要成分为金、银、铜中的一种或两种的合金材料，也可以是碳纳米管、掺铝氧化锌、铟锡氧化物等可以导电的非金属材料。本发明中，优选铜或银。制造基板的材料有多种选择，例如陶瓷、FR4、F4B(聚四氟乙烯)、HDPE (高密度聚乙烯，High Density Polyethylene)、ABS (AerylonitriIeButadiene Styrene)、铁电材料、或者铁磁材料等。基板10、20、30、40优选相对介电常数ε r为2.25，损耗角正切tan δ为0.001的F4B材料制成。[0028]在本发明一实施例中，第一人造微结构11为十字形结构。基板10、20之间夹设的多个第一人造微结构11构成的第二金属层2如图2所示，第一人造微结构11如图3所示。相邻的十字形结构的中心之间的间距相等，相邻的十字形结构之间预留有空隙。十字形结构由两条尺寸相同且垂直平分的金属线构成，金属线的线长a为f 3mm，线宽wl为
0.02、.08_。在本发明一优选实施例中，金属线的线宽处处相等，相邻的十字形结构的中心之间的间距为11mm。
[0029]第三金属层3在第二基板20和第三基板30之间的排布、第四金属层4在第三基板30和第四基板40之间的排布与图2相同，因此不再赘述。
[0030]图4飞示出了第二人造微结构22在基板10和基板40外表面的排布示意图以及第二人造微结构22示意图。多个第二人造微结构22在基板10外表面形成第一金属层1，多个第二人造微结构22在基板40外表面形成第五金属层5。由图可知，第二人造微结构22为方环结构，相邻的方环结构之间预留有空隙，相邻的方环结构的中心之间的间距相等。优选实施例中，相邻的第一人造微结构11的中心之间的间距等于相邻的第二人造微结构22的中心之间的间距。
[0031]在一优选实施例中，方环结构为正方环形结构，且正方环形结构的边长b大于十字形结构的金属线的线长a,正方环形结构的边长b为2.5~4mm,环宽w2为0.02~0.08mm。
[0032]第一人造微结构11、第二人造微结构22的单个微结构的位置相对应，即:第一人造微结构22的十字形结构的位置与基板10、40外表面上的方环结构的位置相对应，俯视透视材料，每一^h字形结构的中心与其对应的方环结构的中心重合。
[0033]可以理解的是，说明书附图中示出的第一、第二人造微结构11、22的数目仅为示意，用于说明第一、第二人造微结构11、22的排布情况，不作为对本发明的限制。
[0034]下面将结合具体实施例来说明本发明的宽频透波材料的应用效果。在一实施例中，第一人造微结构31为十字形结构，由两条尺寸相同且相互垂直的金属线构成，金属线的长度a=2mm,线宽wl=0.05mm。第二人造微结构22均为正方环形结构，边长b=3mm,w2=0.05mm。相邻正方环形结构的中心之间的间距为11mm。在本发明一实施例中，基板10、20,30,40由聚四氟乙烯(F4B)制得。第一人造微结构11和第二人造微结构22由铜制成。基板10、、20、30、40的介电常数为2.25，损耗角正切为0.001。基板10、20、30、40的厚度为1mm，第一、第二人造微结构的厚度为0.018mm。上述参数仅为一实例，并不作为对本发明的限制。
[0035]基板之间通过填充液态基板原料或者通过组装相互连接在一起。第一、第二人造微结构11、22通过蚀刻的方式附着在基板上，当然人造微结构也可以采用电镀、钻刻、光亥IJ、电子刻或者离子刻等方式附着在基板上。基板也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、HIPS(耐冲击性聚苯乙烯，High impact polystyrene)材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。
[0036]对具有上述参数的宽频透波材料进行仿真，其S参数仿真图如图71所示。由图7?8可以看到，在2?18GHz宽频带内，S21大于-0.8dB，接近于O ;而Sll很小，在-8.ldB'55dB之间，透波效果很好。在实际应用时，通过调节第一、第二人造微结构的形状、尺寸，可以改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而通带向高频或低频移动，或者改变带宽。
[0037]本发明通过在基板上设计不同的人造微结构，通过相关金属层的电磁响应特征来改变各个空间点的介电常数，使基板对2?18GHz的电磁响应特征与空气相近。从而减少了微波系统由于引入传统介质后特性阻抗不匹配所引起的衰减，从而减小反射、提高传输效率。
[0038]因此，本发明还提供一种天线罩，该天线罩由上文所述的宽频透波材料制成，用于罩设在天线上，对天线起到保护作用的同时，还能够保证天线在工作频段具有很高的性能。
[0039]需要说明的是，天线罩的形状可以为与附图中的宽频透波材料形状相同的平板状，也可以根据实际需求来设计天线罩的形状，比如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。
[0040]本发明还提供一种天线系统，包括天线，以及如上文所述的天线罩，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。天线本体可以是例如但不限于平板天线、微波天线、雷达天线等。
[0041]通过多次仿真测试，本发明的透波材料及其天线罩和天线系统在2?18GHz宽频带内的透波效率很高，而且能够屏蔽其它频段，保证天线正常工作，防止干扰。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。在实际应用时，通过调节第一、第二人造微结构的形状、尺寸，可以改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，从而通带向高频或低频移动，或者改变带宽。
[0042]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】
1.一种宽频透波材料，其特征在于，用于实现宽频透波，包括由非金属材料制成的多层基板以及夹设在多层基板之间且阵列排布的多个第一人造微结构；所述透波材料还包括附着于所述多层基板中的两层最外层基板的外表面上的第二人造微结构，所述第二人造微结构与所述第一人造微结构不相同。
2.根据权利要求1所述的宽频透波材料，其特征在于，所述宽频透波材料包括四层基板。
3.根据权利要求1所述的宽频透波材料，其特征在于，所述第一人造微结构为十字形结构，所述第二人造微结构为方环结构。
4.根据权利要求3所述的宽频透波材料，其特征在于，相邻的十字形结构的中心之间的间距相等，相邻的方环结构的中心之间的间距相等，且相邻的十字形结构的中心之间的间距等于相邻的方环结构的中心之间的间距。
5.根据权利要求3所述的宽频透波材料，其特征在于，所述十字形结构由两条尺寸相同且垂直平分的金属线构成。
6.根据权利要求5所述的宽频透波材料，其特征在于，所述金属线的线宽处处相等，所述金属线的线长为线宽为0.02^0.08mm。
7.根据权利要求6所述的宽频透波材料，其特征在于，所述方环结构为正方环形结构，且所述正方环形结构的边长大于所述金属线的线长。
8.根据权利要求4所述的宽`频透波材料，其特征在于，相邻的十字形结构之间预留有空隙，且相邻的方环结构之间预留有空隙。
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f 8任一项所述的宽频透波材料。
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。
【文档编号】H01Q1/42GK103682614SQ201210327417
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月6日 优先权日:2012年9月6日
【发明者】刘若鹏, 赵治亚, 方小伟, 佩尔·马宗达 申请人:深圳光启创新技术有限公司