超材料結(jié)構(gòu)、天線罩和天線系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及天線罩，更具體地說(shuō)，涉及超材料結(jié)構(gòu)以及包含超材料結(jié)構(gòu)的天線罩和天線系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]天線系統(tǒng)通常包括天線罩。天線罩的目的是保護(hù)天線免受風(fēng)雨、冰雪、沙塵和太陽(yáng)輻射等的影響，使天線系統(tǒng)工作性能比較穩(wěn)定、可靠。同時(shí)，天線罩可以減輕天線系統(tǒng)的磨損、腐蝕和老化，延長(zhǎng)使用壽命。但是天線罩是天線前面的障礙物，對(duì)天線輻射波會(huì)產(chǎn)生吸收和反射，改變天線的自由空間能量分布，在一定程度上影響天線的電氣性能。
[0003]天線罩一方面應(yīng)當(dāng)有一定的機(jī)械強(qiáng)度，以保護(hù)內(nèi)部的天線，另一方面還應(yīng)當(dāng)允許工作頻段的電磁波高效穿透，以到達(dá)內(nèi)部的天線?，F(xiàn)有的天線罩基本上是純材料天線罩，主要到保護(hù)天線的作用。為了提高電磁波的高效穿透，可以采用半波長(zhǎng)理論進(jìn)行材料厚度設(shè)計(jì)。在天線罩的材料厚度為工作頻段電磁波波長(zhǎng)的1/2時(shí)，電磁波穿透率最好。因此，純材料天線罩的厚度設(shè)計(jì)取決于工作頻段的電磁波波長(zhǎng)。隨著工作頻段的電磁波波長(zhǎng)增加，則天線罩的厚度也應(yīng)當(dāng)增加。天線罩的重量可能增加到難以應(yīng)用的程度。另一方面，普通材料的透波性能比較均一，在工作頻段內(nèi)透波，其相鄰頻段透波效果亦優(yōu)，工作頻段外的透波容易干擾天線的正常工作。
[0004]目前制備天線罩的材料多采用介電常數(shù)和損耗角正切低、機(jī)械強(qiáng)度高的材料，如玻璃鋼、環(huán)氧樹脂、高分子聚合物等。天線罩的結(jié)構(gòu)多為均勻單壁結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)和空間骨架結(jié)構(gòu)等。由于天線罩壁厚度的設(shè)計(jì)需兼顧工作波長(zhǎng)、天線罩尺寸和形狀、環(huán)境條件、所用材料在電氣和結(jié)構(gòu)上的性能等因素，因此透波性能可能較差，工作頻段較窄。針對(duì)不同的頻段，需要更換天線罩，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)以及設(shè)備成本的提高。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種可以改善透波性能的寬頻帶透波結(jié)構(gòu)。
[0006]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述透波性能較差、工作頻段較窄的缺陷，提供超材料結(jié)構(gòu)以及包含超材料結(jié)構(gòu)的天線罩和天線系統(tǒng)。
[0007]根據(jù)本實(shí)用新型的一方面，提供一種超材料結(jié)構(gòu)，包括:第一介質(zhì)基板；以及位于第一介質(zhì)基板上的多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)，其中，每個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱分布圖案，并且相鄰的導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)彼此隔開。
[0008]優(yōu)選地，所述中心對(duì)稱分布圖案為選自口字形、工字形、雪花形和田字形中的至少一種圖案。
[0009]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)為田字形圖案，包括:由四個(gè)側(cè)邊組成的口字形外框，外框具有第一長(zhǎng)度、第一寬度和第一線寬;連接一組相對(duì)的兩個(gè)側(cè)邊的第一線條，第一線條具有第二線寬；以及連接另一組相對(duì)的兩個(gè)側(cè)邊的第二線條，第二線條具有第三線寬；其中，所述導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸設(shè)置為獲得期望的電磁波響應(yīng)特性。
[0010]優(yōu)選地，所述第一線條連接所述一組相對(duì)于兩個(gè)側(cè)邊的中點(diǎn)。
[0011 ]優(yōu)選地，所述第二線條連接所述另一組相對(duì)的兩個(gè)側(cè)邊的中點(diǎn)。
[0012]優(yōu)選地，第一長(zhǎng)度與第一寬度不相等，以匹配天線的極化方向。
[0013]優(yōu)選地，第二線寬與第三線寬不相等，以匹配天線的極化方向。
[0014]優(yōu)選地，第一線寬與第二線寬、第三線寬不相等，以調(diào)節(jié)電磁波響應(yīng)曲線的截止波形的陡峭程度。
[0015]優(yōu)選地，導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的物質(zhì)形態(tài)是選自固體、液體、流狀體和粉狀物中的一種。
[0016]優(yōu)選地，導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)由液體的導(dǎo)電材料組成，并且容納在空腔、管道和膠囊之一中以限定其形狀。
[0017]優(yōu)選地，第一介質(zhì)基板由相對(duì)介電常數(shù)大于2、損耗角正切小于0.1的材料組成。
[0018]根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面，提供一種天線罩，包括:上述的超材料結(jié)構(gòu)；以及位于第一介質(zhì)基板上的第二介質(zhì)基板，其中，所述多個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)夾在第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板之間。
[0019]優(yōu)選地，第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板為平板狀。
[0020]優(yōu)選地，第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板為曲面狀，并且所述多個(gè)結(jié)構(gòu)單元共形地形成在第一介質(zhì)基板的第一表面上。
[0021]優(yōu)選地，根據(jù)透波性能和濾波性能至少之一設(shè)置所述天線罩的不同區(qū)域中結(jié)構(gòu)單元的形狀和尺寸至少之一。
[0022]根據(jù)本實(shí)用新型的又一方面，提供一種天線系統(tǒng)，其特征在于，包括天線以及上述的天線罩，所述天線罩罩設(shè)于天線上。
[0023]根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的天線罩在0-1.5GHz的工作頻段內(nèi)，電磁波的透過(guò)率高。天線罩可以直到固態(tài)空氣的作用，電磁波從天線罩外部穿過(guò)天線罩到達(dá)內(nèi)部的天線。在工作頻段之外，電磁波的反射或衰減明顯，從而難以從天線罩外部穿過(guò)天線罩到達(dá)內(nèi)部的天線。該天線罩不僅可以起到透波的作用，而且可以起到濾波器的作用，從而改善天線工作的信噪比。通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，還可以匹配天線的極化，從而可以最大限度地允許選定極化方向的入射電磁波的透射，從而進(jìn)一步改善天線的信噪比。
[0024]根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的天線罩可以實(shí)現(xiàn)與空氣的阻抗匹配，以最大限度的增加入射電磁波的透射，減少了傳統(tǒng)天線罩設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)材料厚度和介電常數(shù)的限制。根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的天線系統(tǒng)在天線加上天線罩后，天線的輻射能力得到了加強(qiáng)，有效提高了增益。
【附圖說(shuō)明】
[0025]通過(guò)以下參照附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例的描述，本實(shí)用新型的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中:
[0026]圖1示出根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的超材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元的示意圖；
[0027]圖2示出根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的天線罩的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3示出根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的天線罩的S參數(shù)仿真示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下將參照附圖更詳細(xì)地描述本實(shí)用新型。在各個(gè)附圖中，相同的元件采用類似的附圖標(biāo)記來(lái)表示。為了清楚起見(jiàn)，附圖中的各個(gè)部分沒(méi)有按比例繪制。此外，可能未示出某些公知的部分。
[0030]應(yīng)當(dāng)理解，在描述某個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)將一層、一個(gè)區(qū)域稱為位于另一層、另一個(gè)區(qū)域“上面”或“上方”時(shí)，可以指直接位于另一層、另一個(gè)區(qū)域上面，或者在其與另一層、另一個(gè)區(qū)域之間還包含其它的層或區(qū)域。并且，如果將該結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)，該一層、一個(gè)區(qū)域?qū)⑽挥诹硪粚?、另一個(gè)區(qū)域“下面”或“下方”。如果為了描述直接位于另一層、另一個(gè)區(qū)域上面的情形，本文將采用“A直接在B上面”或“A在B上面并與之鄰接”的表述方式。
[0031 ]本實(shí)用新型可以各種形式呈現(xiàn)，以下將描述其中一些示例。
[0032]圖1示出根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的超材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元的示意圖。在圖1中示出一個(gè)結(jié)構(gòu)單元100，其中包括一個(gè)導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)110。結(jié)構(gòu)單元100的長(zhǎng)度和寬度分別表示為A和B。導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)110位于結(jié)構(gòu)單元100內(nèi)，并且相對(duì)于結(jié)構(gòu)單元100的中心對(duì)稱分布，形成中心對(duì)稱分布圖案。該中心對(duì)稱分布圖案為選自口字形、工字形、雪花形和田字形中的一種圖案。在一個(gè)實(shí)例中，導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)110的圖案為田字形，包括口字形的外框111、第一線條112和第二線條113。第一線條112和第二線條113分別連接外框111的相對(duì)兩個(gè)側(cè)邊的中點(diǎn)，彼此交叉成十字。外框111的長(zhǎng)度和寬度分別表示為a和b，分別與結(jié)構(gòu)單元100的長(zhǎng)度和寬度方向平行，并且尺寸稍小。外框111的線寬為Wl，第一線條112的線寬為W2，第二線條113的線寬為W3。
[0033]在結(jié)構(gòu)單元100中，根據(jù)對(duì)光或電磁波的調(diào)節(jié)作用的不同需求，可以改變結(jié)構(gòu)單元100的長(zhǎng)度A、寬度B，以及外框111的長(zhǎng)度a、寬度b、外框的線寬W1、第一線條112的線寬W2和第二線條113的線寬W3中的至少一個(gè)。如果改變外框111的長(zhǎng)寬比a/b，或者改變第一線條112和第二線條113的線寬比W2/W3，則可以調(diào)節(jié)天線罩的極化特性，以滿足天線不同極化方向的要求。如果改變外框111與第一線條112和第二線條113的線寬比W1/W2或W1/W3，則可以調(diào)節(jié)天線罩的高頻響應(yīng)特性，例如改變截止的陡峭程度。如果改變結(jié)構(gòu)單元100的大小，則可以改變截止頻率的大小。例如，結(jié)構(gòu)單元100的尺寸越大，則截止頻率越低。
[0034]導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)110可以由任意的導(dǎo)電材料組成。這里的導(dǎo)電材料，可以是金、銀、銅等導(dǎo)電性能良好的金屬材料，或者主要成分為金、銀、銅中的一種或兩種的合金材料，也可以是碳納米管、摻鋁氧化鋅、銦錫氧化物等可以導(dǎo)電的非金屬材料。在本實(shí)用新型中，導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)110的材料優(yōu)選銅或銀。導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)110可以是任意物質(zhì)形態(tài)。這里的物質(zhì)形態(tài)，可以是選自固體、液體、流狀體和粉狀物中的一種，只要其可以維持特定的形狀即可。例如液體的導(dǎo)電材料可以容納在空腔、管道、膠囊之中并且限定其形狀。
[0035]盡管未在圖中示出，但導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)110可以形成在介質(zhì)基板上。制造介質(zhì)基板的材料有多種選擇，例如陶瓷、FR4、F4B(聚四氟乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯，High DensityPolyethylene) nABS(AerylonitriIe Butadiene Styrene)等。例如，介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)大于2、損耗角正切小于0.1。導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)110可以通過(guò)印刷、鍍敷、粘接、熱壓等方式附著于介質(zhì)基板上。
[0036]在一個(gè)實(shí)例中，導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)110是介質(zhì)基板上的圖案化金屬層。導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)110通過(guò)蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻等多種方法附著在介質(zhì)基板上。其中，蝕刻是較優(yōu)的制造工藝，其步驟是在設(shè)計(jì)好合適的人造微結(jié)構(gòu)的平面圖案后，先將一張金屬箔片整體地附著在介質(zhì)基板上，然后通過(guò)蝕刻設(shè)備，利用溶劑與金屬的化學(xué)反應(yīng)去除掉人造微結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)圖案以外的箔片部分，余下的即可得到人造微結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)實(shí)