一种应用于运动机器人中的天线装置的制作方法

本发明属于通信领域，更具体的说，涉及一种运动机器人中的天线装置。

背景技术：

当前，机器人在各领域发展迅猛，尤其通信及人工智能技术的发展对机器人技术的促进巨大。当前很多技术较先进的机器人在移动时可实时跟踪基站、终端设备等移动平台，不间断地传递语音、数据、图像等多媒体信息，可满足各种军民用应急通信和移动条件下的多媒体通信的需要。机器人设备中的动中通系统很好地解决了各种在运动中需要实时不断地传递语音、数据、高清晰的动态视频图像、传真等多媒体信息的难关，是通信领域在机器人领域进行应用的一次重大的突破，在军民两个领域都有极为广泛的发展前景。

一般情况下，机器人内的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。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高。

技术实现要素：

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且工作频段较窄，不具备选择性透波的缺陷，提供一种具有滤波功能同时还能兼顾低耗损的宽频带超材料天线罩。

本发明的方案涉及一种应用于运动机器人中的天线装置，包括有天线以及天线外侧的天线罩，其特征在于，该天线罩包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括第一基板和阵列排布在所述第一基板上的多个尺寸相同的人造微结构；所述人造微结构包括口字形结构，所述口字形结构的中心位置设置有十字形结构，且所述口字形结构的每一边的中部设置有类似于前述十字形结构的对应端部结构。

本发明应用于运动机器人中的天线装置，每一超材料片层还包括覆盖于所述多个人造微结构上的第二基板、第三基板。

本发明应用于运动机器人中的天线装置，所述超材料片层中的第一基板可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上排布有一个所述人造微结构。

本发明应用于运动机器人中的天线装置，其特征在于，每一超材料单元的长和宽均为12～15mm，所述人造微结构与所述超材料单元的边界之间的距离为0.15mm。

本发明应用于运动机器人中的天线装置，所述十字形结构包括两条垂直的第一金属丝和第二金属丝，第一金属丝的两端设置有相同尺寸的第一金属微结构，所述第一金属微结构由三条尺寸递减金属线平行线以及金属框组成；第二金属丝的两端设置有相同尺寸的第二金属微结构，所述第二金属微结构由三根同尺寸的金属折线排列组成；所述口字型结构中与第一金属丝相对一边的中部设有类似于第二金属微结构的构造，所述口字型结构中与第二金属丝相对一边的中部设有类似于第一金属微结构的构造；所述金属折线的弯折角为90度。

本发明应用于运动机器人中的天线装置，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丝构成。

本发明的有益效果为：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的同时又能够使得天线罩的抗干扰能力增加。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，有效抑制和改善由于运动中机器人带来的信号缺损以及频率偏移。而且本发明的天线罩的工作频带在15.5-18.5ghz之间，且在此频带内的透波效率很高，损耗较小。

附图说明

图1是本发明天线罩的一个超材料片层的结构示意图；

图2是多个图1所示的超材料片层堆叠形成的宽频带超材料天线罩的结构示意图；

图3是本发明一实施例的超材料片层的结构示意图；

图4是本发明人造微结构的排布示意图；

图5是本发明人造微结构的示意图。

具体实施方式

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。

本发明提供了一种用于运动机器人中的超材料天线装置罩，包括至少一个超材料片层1，如图1和图2所示。每个超材料片层1包括至少两个相对设置的基板和附着在两基板之间的阵列排布的人造微结构。当超材料片层1有多个时，各个超材料片层1沿垂直于片层的方向叠加，并通过机械连接、焊接或粘合的方式组装成一体，如图2所示。通常，在能够满足性能的情况下，一个超材料片层就可以作为超材料天线罩来使用。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，需要注意的是，如果是单个超材料片层，往往出于对天线罩外周的保护需要额外设置一基板，参见附图3中的基板单元30。超材料片层1中的第一基板10可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上排布有一个人造微结构。

图3示出了超材料片层的结构示意图(透视图)。超材料片层1包括三块相同的均匀等厚的片状基板：相对设置的第一基板10和第二基板20，第三基板30，所述第一基板10的面向第二基板20的表面上附着有阵列排布的人造微结构30。超材料片层1可划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上排布有一个所述人造微结构。在本发明一实施例中，以三个基板为例进行说明，但是在实际设计时，也可以仅采用第一基板或者仅仅采用第一和第二基板，而人造微结构阵列排布在第一基板10上或第一第二基板之间，同样能够达到本发明的目的。

如图4-5所示，每一超材料单元的长和宽均为12～15mm，人造微结构30与超材料单元的边界之间的距离为0.15mm。每一人造微结构30包括口字形结构31，口字形结构31的中心位置设置有十字形结构32，十字结构是由两条垂直平分的等尺寸金属丝组成，十字形结构包括两条垂直的第一金属丝和第二金属丝，第一金属丝的两端设置有相同尺寸的第一金属微结构321，所述第一金属微结构321由三条尺寸递减金属线平行线以及一金属框组成；第二金属丝的两端设置有相同尺寸的第二金属微结构322，所述第二金属微结构322由三根尺寸相同的弯折金属线排列而成，弯折线的弯折角度为90度，通过弯折线之间的等距排列以及设特定的角度，可以极好的控制天线罩的高频透波特性，实现低损耗；所述口字型结构中与第一金属丝相对一边的中部设有类似于第二金属微结构的构造，所述口字型结构中与第二金属丝相对一边的中部设有类似于第一金属微结构的构造；该类似的结构差异仅仅在于尺寸的差异，形状和走线类似。

第一金属微结构的金属框为一带开口的正方形，第一金属丝从该开口进入第一金属微结构的正方形框内，第一金属丝末端设置尺寸为2/3正方形边框长度的第一横向金属丝，第二、第三横向金属丝尺寸递减。

在本发明一实施例中，超材料单元的长和宽均为12.4mm。口字形结构31的边长均为a＝12mm。十字形结构32的两条金属丝的长度均为d＝5.5mm。第一金属微结构的正方形框内三条递减的横向金属丝尺寸分别为：2.6mm/2.4mm/2.2mm，第二金属微结构的折线长度为4mm，折角为90度，相邻折线的间距为0.02mm。人造微结构30中的金属丝的线宽均为0.1mm。人造微结构30与超材料单元边界之间的距离为0.2mm。基板的厚度均为2mm，人造微结构的厚度为0.016mm。

在本发明一实施例中，基板由f4b或fr4复合材料制得。基板之间通过填充液态基板原料或者通过机械组装相互连接在一起。人造微结构30通过蚀刻的方式附着在第一基板10上，当然人造微结构30也可以采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等常见方式附着在第一基板10或第二基板20上。基板材料也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。人造微结构30采用铜线制成，当然也可以采用银线、ito、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(拱形的天线罩)等，本发明对此不作限制。

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。而且本发明的天线罩的工作频带在15.5-18.5ghz之间，且在此频带内的透波效率很高，损耗较小。在此频带以外具有带阻特性，可实现选择性滤波。

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。