[0001] 本发明涉及天线罩， 更具体地说， 涉及超材料结构以及包含超材料结构的天线 罩和天线系统。

背景技术

[0002] 天线系统通常包括天线罩。 天线罩的目的是保护天线免受风雨、 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。 同吋， 天线罩可以 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， 在 一定程度上影响天线的电气性能。

技术问题

[0003] 天线罩一方面应当有一定的机械强度， 以保护内部的天线， 另一方面还应当允 许工作频段的电磁波高效穿透， 以到达内部的天线。 现有的天线罩基本上是纯 材料天线罩， 主要到保护天线的作用。 为了提高电磁波的高效穿透， 可以采用 半波长理论进行材料厚度设计。 在天线罩的材料厚度为工作频段电磁波波长的 1/ 2吋， 电磁波穿透率最好。 因此， 纯材料天线罩的厚度设计取决于工作频段的电 磁波波长。 随着工作频段的电磁波波长增加， 则天线罩的厚度也应当增加。 天 线罩的重量可能增加到难以应用的程度。 另一方面， 普通材料的透波性能比较 均一， 在工作频段内透波， 其相邻频段透波效果亦优， 工作频段外的透波容易 干扰天线的正常工作。

[0004] 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。 天线罩的结构多为均匀单壁结构、 夹 层结构和空间骨架结构等。 由于天线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， 因此透波性 能可能较差， 工作频段较窄。 针对不同的频段， 需要更换天线罩， 导致资源的 浪费以及设备成本的提高。 问题的解决方案

技术解决方案

[0005] 本发明的目的在于提供一种可以改善透波性能 的宽频带透波结构。

[0006] 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， 提供超材料结构以及包含超材料结构的天线罩 和天线系统。

[0007] 根据本发明的一方面， 提供一种超材料结构， 包括： 第一介质基板； 以及位于 第一介质基板上的多个导电几何结构， 其中， 每个导电几何结构为中心对称分 布图案， 并且相邻的导电几何结构彼此隔幵。

[0008] 优选地， 所述中心对称分布图案为选自口字形、 工字形、 雪花形和田字形中的 至少一种图案。

[0009] 优选地， 所述导电几何结构为田字形图案， 包括： 由四个侧边组成的口字形外 框， 外框具有第一长度、 第一宽度和第一线宽； 连接一组相对的两个侧边的第 一线条， 第一线条具有第二线宽； 以及连接另一组相对的两个侧边的第二线条 ， 第二线条具有第三线宽； 其中， 所述导电几何结构的形状和尺寸设置为获得 期望的电磁波响应特性。

[0010] 优选地， 所述第一线条连接所述一组相对于两个侧边的 中点。

[0011] 优选地， 所述第二线条连接所述另一组相对的两个侧边 的中点。

[0012] 优选地， 第一长度与第一宽度不相等， 以匹配天线的极化方向。

[0013] 优选地， 第二线宽与第三线宽不相等， 以匹配天线的极化方向。

[0014] 优选地， 第一线宽与第二线宽、 第三线宽不相等， 以调节电磁波响应曲线的截 止波形的陡峭程度。

[0015] 优选地， 导电几何结构的物质形态是选自固体、 液体、 流状体和粉状物中的一 种。

[0016] 优选地， 导电几何结构由液体的导电材料组成， 并且容纳在空腔、 管道和胶囊 之一中以限定其形状。

[0017] 优选地， 第一介质基板由相对介电常数大于 2、 损耗角正切小于 0.1的材料组成

[0018] 根据本发明的另一方面， 提供一种天线罩， 包括： 上述的超材料结构； 以及位 于第一介质基板上的第二介质基板， 其中， 所述多个导电几何结构夹在第一介 质基板和第二介质基板之间。

[0019] 优选地， 第一介质基板和第二介质基板为平板状。

[0020] 优选地， 第一介质基板和第二介质基板为曲面状， 并且所述多个结构单元共形 地形成在第一介质基板的第一表面上。

[0021] 优选地， 根据透波性能和滤波性能至少之一设置所述天 线罩的不同区域中结构 单元的形状和尺寸至少之一。

[0022] 根据本发明的又一方面， 提供一种天线系统， 其特征在于， 包括天线以及上述 的天线罩， 所述天线罩罩设于天线上。

[0023] 根据本发明的实施例的天线罩在 0-1.5GHZ的工作频段内， 电磁波的透过率高。

天线罩可以直到固态空气的作用， 电磁波从天线罩外部穿过天线罩到达内部的 天线。 在工作频段之外， 电磁波的反射或衰减明显， 从而难以从天线罩外部穿 过天线罩到达内部的天线。 该天线罩不仅可以起到透波的作用， 而且可以起到 滤波器的作用， 从而改善天线工作的信噪比。 通过调节导电几何结构的形状、 尺寸， 还可以匹配天线的极化， 从而可以最大限度地允许选定极化方向的入射 电磁波的透射， 从而进一步改善天线的信噪比。

发明的有益效果

有益效果

[0024] 根据本发明的实施例的天线罩可以实现与空气 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吋对材料厚度和介电常 数的限制。 根据本发明的实施例的天线系统在天线加上天 线罩后， 天线的辐射能力得到了 加强， 有效提高了增益。

对附图的简要说明

附图说明

[0025] 通过以下参照附图对本发明实施例的描述， 本发明的上述以及其它目的、 特征 和优点将更为清楚， 在附图中：

[0026] 图 1示出根据本发明的实施例的超材料结构的结� �单元的示意图；

[0027] 图 2示出根据本发明的实施例的天线罩的结构示� �图； [0028] 图 3示出根据本发明的实施例的天线罩的 S参数仿真示意图。

本发明的实施方式

[0029] 以下将参照附图更详细地描述本发明。 在各个附图中， 相同的元件采用类似的 附图标记来表示。 为了清楚起见， 附图中的各个部分没有按比例绘制。 此外， 可能未示出某些公知的部分。

[0030] 应当理解， 在描述某个结构吋， 当将一层、 一个区域称为位于另一层、 另一个 区域"上面"或"上方"吋， 可以指直接位于另一层、 另一个区域上面， 或者在其与 另一层、 另一个区域之间还包含其它的层或区域。 并且， 如果将该结构翻转， 该一层、 一个区域将位于另一层、 另一个区域"下面"或"下方"。 如果为了描述直 接位于另一层、 另一个区域上面的情形， 本文将采用" A直接在 B上面"或" A在 B 上面并与之邻接"的表述方式。

[0031] 本发明可以各种形式呈现， 以下将描述其中一些示例。

[0032] 图 1示出根据本发明的实施例的超材料结构的结� �单元的示意图。 在图 1中示出 一个结构单元 100， 其中包括一个导电几何结构 110。 结构单元 100的长度和宽度 分别表示为 和^ 导电几何结构 110位于结构单元 100内， 并且相对于结构单元 1 00的中心对称分布， 形成中心对称分布图案。 该中心对称分布图案为选自口字 形、 工字形、 雪花形和田字形中的一种图案。 在一个实例中， 导电几何结构 110 的图案为田字形， 包括口字形的外框 111、 第一线条 112和第二线条 113。 第一线 条 112和第二线条 113分别连接外框 111的相对两个侧边的中点， 彼此交叉成十字 。 外框 111的长度和宽度分别表示为 a和 b， 分别与结构单元 100的长度和宽度方向 平行， 并且尺寸稍小。 外框 111的线宽为 Wl， 第一线条 112的线宽为 W2， 第二线 条 113的线宽为 W3。

[0033] 在结构单元 100中， 根据对光或电磁波的调节作用的不同需求， 可以改变结构 单元 100的长度 A、 宽度 B， 以及外框 111的长度 a、 宽度 b、 外框的线宽 Wl、 第一 线条 112的线宽 W2和第二线条 113的线宽 W3中的至少一个。 如果改变外框 111的 长宽比 a/b， 或者改变第一线条 112和第二线条 113的线宽比 W2/W3 , 则可以调节 天线罩的极化特性， 以满足天线不同极化方向的要求。 如果改变外框 111与第一 线条 112和第二线条 113的线宽比 W1/W2或 Wl/W3， 则可以调节天线罩的高频响 应特性， 例如改变截止的陡峭程度。 如果改变结构单元 100的大小， 则可以改变 截止频率的大小。 例如， 结构单元 100的尺寸越大， 则截止频率越低。

[0034] 导电几何结构 110可以由任意的导电材料组成。 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、 惨铝氧化锌、 铟锡氧化物等可以导电的非 金属材料。 在本发明中， 导电几何结构 110的材料优选铜或银。 导电几何结构 11 0可以是任意物质形态。 这里的物质形态， 可以是选自固体、 液体、 流状体和粉 状物中的一种， 只要其可以维持特定的形状即可。 例如液体的导电材料可以容 纳在空腔、 管道、 胶囊之中并且限定其形状。

[0035] 尽管未在图中示出， 但导电几何结构 110可以形成在介质基板上。 制造介质基 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 ¾， High Density Polyethylene) 、 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 等 。 例如， 介质基板的相对介电常数大于 2、 损耗角正切小于 0.1。 导电几何结构 11 0可以通过印刷、 镀敷、 粘接、 热压等方式附着于介质基板上。

[0036] 在一个实例中， 导电几何结构 110是介质基板上的图案化金属层。 导电几何结 构 110通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻等多种方法附着在介质基 板上。 其中， 蚀刻是较优的制造工艺， 其步骤是在设计好合适的人造微结构的 平面图案后， 先将一张金属箔片整体地附着在介质基板上， 然后通过蚀刻设备 ， 利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构 预设图案以外的箔片部分， 余 下的即可得到人造微结构。 在另一个实例中， 导电几何结构 110可以由导电油墨 印刷形成在介质基板上。

[0037] 图 2示出根据本发明的实施例的天线罩的结构示� �图。 多个结构单元 100位于第 一介质基板 200和第二介质基板 300之间， 形成夹层结构。 在多个结构单元 100中 ， 相邻的结构单元 100的导电几何结构彼此隔幵， 也即， 结构单元 100的田字形 图案彼此隔幵而没有相互接触。

[0038] 该天线罩不限于平板状， 而是可以根据天线的形状和应用的要求设置成 任何合 适的形状。 例如， 在将天线罩应用于飞机吋， 天线罩的形状为曲面。 相应地， 第一介质基板 200和第二介质基板 300也应当具有曲面状。 所述多个结构单元 100 共形地形成在第一介质基板 200的表面上。

[0039] 在本发明的各个实施例中， 不同结构单元 100中的导电几何结构为田字形， 多 个结构单元 100按行列排列成阵列， 每个结构单元 100的中心对称图案相同。 根 据天线类型和应用的要求， 在天线罩的不同区域中， 多个结构单元的排列方式 、 导电几何结构的形状、 尺寸可以相同或不同。 例如， 为了适应天线的极化方 向， 在天线罩的不同区域中， 导电几何结构的外框的长宽比 a/b不同， 和 /或第一 线条和第二线条的线宽比 W2/W3不同。 为了改善天线罩的透波特性， 例如获得 宽频透波， 在天线罩的不同区域中， 导电几何结构的外框的尺寸可以不同。

[0040] 因此， 在替代的实施例中， 多个结构单元 100按行列排列成阵列， 且相邻行的 多个结构单元 100的中心对称图案可以彼此不同。 在另一个替代的实施例中， 多 个结构单元 100可以排列成多个同心环， 每个结构单元 100的中心对称图案相同 。 在另一个替代的实施例中， 该多个同心环中相邻环的多个结构单元 100的中心 对称图案可以彼此不同。 所述不同的中心对称图案包括图案形状、 图案尺寸和 线宽中的至少之一不同。

[0041] 形成该夹层结构的方法包括在第一介质基板 200的一个表面上形成多个结构单 元 100， 然后将第二介质基板 300粘接固定在第一介质基板 200， 以覆盖第一介质 基板 200及其表面上的多个结构单元 100。

[0042] 图 3示出根据本发明的实施例的天线罩的 S参数仿真示意图。 在 S参数仿真中， 假设第一介质基板 200和第二介质基板 300由相对介电常数 3.15、 损耗角正切 0.00 8的材料组成。 第一介质基板 200和第二介质基板 300为平板状， 厚度分别为 1.1毫 米。 在天线罩的各个区域， 结构单元的尺寸相同， 并且导电几何结构由线宽相 同的正方形外框、 第一线条和第二线条组成。 具体地， 结构单元的长度 A和宽度 B均为 6毫米， 导电几何结构的外框的长度 a和宽度 b均为 5.4毫米， 外框的线宽 W1 、 第一线条的线宽 W2和第二线条的线宽 W3均为 0.3毫米。 导电几何结构的材料 为 Ag， 厚度为 0.018毫米。

[0043] 对于上述参数的天线罩进行仿真的结果表明， 天线罩在 0-1.5GHZ的频段内 S21 透波率接近 0dB， 透过率高， 从而可以作为透波结构满足天线罩的应用要求 。 在 6.5GHz-12GHz的频段内 S21透波率小于 -10dB， 相应地反射率高， 从而可以作用 雷达隐身结构满足隐身结构材料的应用要求。 在天线罩应用方面， 图 3所示的波 长选择性特性是有利的， 在 0-1.5GHZ的工作频段内， 电磁波的透过率高， 可以 从天线罩外部穿过天线罩到达内部的天线， 在工作频段之外， 电磁波的反射或 衰减明显， 从而难以从天线罩外部穿过天线罩到达内部的 天线。 该天线罩不仅 可以起到透波的作用， 而且可以起到滤波器的作用， 从而改善天线工作的信噪 比。

[0044] 如上所述， 根据介质基板的材料不同， 以及导电几何结构的尺寸的不同， 导电 几何结构对光或电磁波起到调节作用。 在不同的工作频段， 上述包含导电几何 结构的夹层结构可以吸收电磁波， 从而作为透波结构来使用， 或者使电磁波的 传播方向发生偏折甚至反射， 从而可以作为隐身结构来使用。

[0045] 本发明通过在基板上设计不同的导电几何结构 ， 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， 使基板对工作频段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。

[0046] 该超材料结构也可以采用多层基板， 比如包括 3层基板， 相邻基板间均设有上 述排布的导电几何结构。 同样能够达到高透波效果。 这种性能可以用在对电磁 波的通与阻有特殊要求的应用场合。

[0047] 因此， 本发明还提供一种天线罩， 该天线罩由上文所述的透波材料制成， 用于 罩设于在天线上， 对天线起到保护作用的同吋， 还能够保证天线在工作频段正 常工作， 屏蔽掉不相关频段， 排除干扰。

[0048] 需要说明的是， 天线罩的形状可以为与附图中的透波材料形状 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。

[0049] 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。

[0050] 本发明的导电几何结构以及包含导电几何结构 的天线罩和天线系统和天线系统 在工作频段内的透波效率很高， 而且能够屏蔽其他频段， 从而排除干扰， 保证 了天线的良好工作环境。 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。 在实际应用吋， 通过调节导电几何结构的形状、 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。

[0051] 在以上的描述中， 对公知的结构要素和步骤并没有做出详细的说 明。 但是本领 域技术人员应当理解， 可以通过各种技术手段， 来实现相应的结构要素和步骤 。 另外， 为了形成相同的结构要素， 本领域技术人员还可以设计出与以上描述 的方法并不完全相同的方法。 另外， 尽管在以上分别描述了各实施例， 但是这 并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结 合使用。

[0052] 以上对本发明的实施例进行了描述。 但是， 这些实施例仅仅是为了说明的目的 ， 而并非为了限制本发明的范围。 本发明的范围由所附权利要求及其等价物限 定。 不脱离本发明的范围， 本领域技术人员可以做出多种替代和修改， 这些替 代和修改都应落在本发明的范围之内。