一种超材料结构单元、天线罩和天线系统的制作方法

1.本发明涉及无线通信终端的天线技术领域，更具体地说，它涉及一种超材料结构单元、天线罩和天线系统。


背景技术：

2.天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介中传播的电磁波，或者进行相反的变换。有方向图、方向性系数、增益等特性参量。伴随着人类对天线性能要求的提高，天线增益低的问题也越发显著。迫切需要一种用于增强现有技术中天线增益的天线辅件。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种超材料结构单元、天线罩和天线系统，其中一方面提供一种超材料结构单元，该超材料结构单元具有双近零折射率特性，用于对天线的电磁波进行有效、可靠的波前整形，本发明的又一方面还提供一种天线罩，该天线罩由上述一种超材料结构单元制成，达到使该天线罩具有增强天线增益的功能。本发明的再一方面提供一种天线系统，包括喇叭天线和上述一种天线罩，天线罩覆盖于喇叭天线上，通过对天线辐射出的电磁波进行波前整形，压缩天线的方向图，进而达到提高天线增益的目的。
4.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
5.本发明一方面提供了一种超材料结构单元，包括：介质基板和金属图案层；所述介质基板的正反面均设置有所述金属图案层；所述金属图案层包括一个十字形结构和四个三角形开环结构；所述三角形开环结构中的开口所处边正对的角与十字形结构的端部连接。
6.进一步的，所述十字开环结构的线长均相等。
7.进一步的，所述十字形结构和三角形开环结构厚度相同；所述十字形结构与三角形开环结构远离介质基板的表面处于同一平面。
8.进一步的，所述金属图案层位于所述介质基板正反面的中部。
9.进一步的，所述介质基板由玻璃环氧树脂制成。
10.进一步的，所述十字形结构和三角形开环结构由铜箔制成。
11.进一步的，所述铜箔的厚度为0.5盎司。
12.进一步的，所述材料单元的回波损耗小于-10db。
13.根据本发明的另一方面，一种天线罩，所述天线罩由上述的一种超材料结构单元排列而成。
14.根据本发明的又一方面，一种天线系统，包括喇叭天线、天线罩，天线罩是上述的一种天线罩，该天线罩覆盖于所述喇叭天线口。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
16.一种超材料结构单元，包括：介质基板和金属图案层，其中金属图案层蚀刻在介质基板的正反两面，在电磁波正面入射该结构单元时，该金属图案层上的三角形开环结构，可
以对磁谐振频率进行调节，该金属图案层上的十字形结构，可以对电谐振频率进行调节。通过该结构单元，可以在保持天线结构不变的情况下，对天线辐射出的电磁波进行波前整形，压缩天线的方向图，进而提高天线的增益。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
18.图1为本发明中超材料结构单元结构示意图；
19.图2为由图1中超材料结构单元排列成的天线罩示意图；
20.图3为图2中的天线罩罩于喇叭天线口结构示意图。
21.附图中标记及对应的零部件名称：
22.1-介质基板；2-三角形开环结构；3-十字形结构；4-开口；5-天线罩；6-喇叭天线。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
24.实施例：
25.一种超材料结构单元，由一个介质基板和两个金属图案层组成，其中两个金属图案层对称蚀刻在介质基板的正反两面，该金属图案层包括一个十字形结构3和四个三角形开环结构2，该三角形开环结构2中的开口位于三角形的一条边上，且该开口贯穿该三角形开环结构的一个边的宽度，其中开口位于开口所在边的中间部位，未设有开口的两条边之间形成的夹角，该夹角正对于该开口。其中，三角形开环结构通过该夹角连接于十字形结构3的端部，四个三角形开环分别连接于十字形结构3的四个端部。当电磁波从该超材料结构单元正面入射时，该材料单元上相邻的三角形开环结构2在电磁场的作用下发生耦合，产生磁谐振，通过改变该三角形开环结构2的结构参数，可以对磁谐振频率进行调节，使该超材料结构单元为磁近零材料(μ＝0)。十字形结构3在电磁场的作用下产生电谐振，通过改变该十字形结构3的结构参数，可以对电谐振频率进行调节，使该材料结构单元电近零材料(ε＝0)。当该材料电谐振频率等于磁谐振频率，且趋近于零时，该超材料结构单元为双近零材料(μ＝ε＝0)。该超材料结构单元，可以在保持天线结构不变的情况下，对天线辐射出的电磁波进行波前整形，压缩天线的方向图，进而提高天线的增益。
26.上述十字形结构3形成的四条边的线长l均相等，每个三角形开环结构2到十字形结构3的距离相等，每个三角形开环结构2之间的距离相等。在电磁波正面入射时，每个三角形开环结构2在电磁场的作用下产生的磁谐振能够同步。
27.上述十字形结构3和三角形开环结构2厚度相同，且十字形结构3与三角形开环结构2远离介质基板1的表面处于同一平面。在电磁波正面入射时，该十字形结构3与三角形开环结构2能够同步接收到该电磁波，从而使三角形开环结构2在电磁场的作用下产生的磁谐振与十字形结构3在电磁场的作用下产生的电谐振同步。更利于该超材料结构单元将电磁波的电谐振频率、磁谐振频率调节成相等且趋近于零。
28.上述金属图案层设置于介质基板1的中部。上述介质基板1设成正方体结构，金属图案层蚀刻在该介质基板1的正反两面，且该金属图案层的十字形结构3的中心与正方体的中心位于同一轴线上。该金属图案层和介质基板1制成的超材料结构单元，在周期排列成天线罩后，该超材料结构单元上的金属图案层能够均匀分布在天线罩上，在电磁波从正面射入该天线罩时，更加均匀的分布在该天线罩上，从而能够更好的对天线辐射出的电磁波进行波前整形，压缩天线的方向图，进而提高天线的增益。
29.上述介质基板1由玻璃环氧树脂制成，且该玻璃环氧树脂的耐燃等级是fr4，fr4耐热等级的玻璃环氧树脂制成的介质基板，在该基板经过燃烧状态能够自行熄灭，提高了该超导材料结构单元组成的超导材料的耐热性和安全性。金属图案层由0.5oz(约18μm)的铜箔制成。
30.该超材料结构单元的回拨损耗参数要小于-10db以上，避免超材料用作天线附件时，恶化天线驻波，降低天线性能。
31.如图1所示为该超材料结构单元，金属图案层中三角形开环结构2包含三角形尺寸和开口4尺寸等结构参数，d为三角形开环结构2开口4所在边的长度，e为三角形开环结构2开口4所在边的底部到开口4所在边正对的角的距离，g为三角形开口4环开口4的大小，当电磁波正面入射时，相邻的三角形开环结构2在电磁场的作用下发生耦合，产生磁谐振，可以调节三角形开环结构2的尺寸(d、e)以及开口4大小g来调节谐振频率。金属图案层中十字形结构3包含线长l和线宽等结构参数，其中线长l为十字形结构3的一条直线的端部到另一直线的最短距离。线宽为十字结构中所用铜箔的宽度。铜箔制成的十字形结构3，在电磁场的作用下产生电谐振，通过调节线长l和线宽w，使电谐振频率与磁谐振频率相等。采用电磁仿真软件对三角形开环结构2的结构参数和十字形的结构参数进行仿真模拟，最终根据仿真结果，对三角形开环结构2的结构参数和十字形结构3的结构参数进行不断调整优化，使得介电常数和磁导率在某一频段内同时趋近于零，从而使该超材料结构单元在这一频段内实现近零折射率。这种近零折射率超材料结构单元结构简单、易于制作、成本低廉，可应用于增强天线的增益。
32.超材料结构单元金属图案层中的三角形开环结构2的结构参数和十字形结构3的结构参数优化后，将若干超材料结构单元进行周期性的排列，得到近零折射率的超材料。利用该超材料制成天线罩5，将天线罩5罩于喇叭天线6口，可以在保持天线结构不变的情况下，对天线辐射出的电磁波进行波前整形，压缩天线的方向图，进而提高天线的增益。
33.如图3所示，上述天线罩5罩于喇叭天线6口，且该超材料的回波损耗参数小于-10db以上。其中，天线罩5的底部距离喇叭天线6口的相对位置参数为h，通过调节近零折射率超材料与天线的相对位置参数h，可以优化该电磁材料对天线辐射的汇聚作用，避免系统谐振造成增益下降。根据三维电磁软件仿真，该电磁材料能使喇叭天线6某频段内的增益增加1.5db左右。对相关参数进行调节，增益还能进一步优化。
34.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。