一種人工電磁材料、天線罩及天線系統的製作方法
2023-07-01 00:14:16 1
專利名稱：一種人工電磁材料、天線罩及天線系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及人工電磁材料,更具體地說，涉及一種人工電磁材料、天線罩及天線系統。
背景技術：
人工電磁材料,英文名稱Metamaterial,是一種新型人工合成材料,是由非金屬材料製成的基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內部的多個人造微結構構成的。人造微結構是由金屬絲或其它導電材料製成的絲線組成的具有一定幾何圖形的平面或立體結構，例如圓環形、工字形等。由於人造微結構的存在，使得整個超材料有著不同於基板本身的電磁特性，當人造微結構的形狀、尺寸分布不同時，超材料的各局部的電磁特性也響應改變，從而使超材料整體表現出一些特殊的響應特性；通過對人造微結構設計不同的具體結構和形狀，可以改變整個超材料的響應特性。一般情況下，天線系統都會設置有天線罩。天線罩的目的是保護天線系統免受風雨、冰雪、沙塵和太陽輻射等的影響，使天線系統工作性能比較穩定、可靠。同時減輕天線系統的磨損、腐蝕和老化，延長使用壽命。為了儘量少地影響天線發射的信號，天線罩一般採用透波性能好、損耗角正切值小、機械強度高的材料，如玻璃鋼、環氧樹脂、高分子聚合物
坐寸o這些材料雖然能基本滿足天線罩的需求，但當用戶需要對天線罩有特殊的要求，例如對於天線的輻射電磁波，需要一定頻段的電磁波能透過天線罩而其他頻段的則被反射掉，這種情況下，普通的天線罩就不能滿足需求。人們就轉而向人工電磁材料來尋求解決方案。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的天線罩不具有頻率選擇功能的缺陷，提供一種人工電磁材料及天線系統。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種人工電磁材料，包括至少一個非導電材料製成的基板和附在所述基板表面上的金屬箔，所述金屬箔上鏤空有多個相同的十字框形槽，每個所述十字框形槽為封閉曲線且內輪廓圍成的形狀為十字形，所述十字框形槽以與其內輪廓的十字形的豎線成45度的方向為行、以與其內輪廓的十字形的豎線成-45度的方向為列、且行間距等於列間距的排布方式周期性陣列排布於所述金屬箔上。在本發明所述的人工電磁材料中，所述人工電磁材料包括三個層疊的基板，相鄰兩基板之間設置有一層所述金屬箔。在本發明所述的人工電磁材料中，所述金屬箔為銅箔或銀箔。在本發明所述的人工電磁材料中，所述十字框形槽的槽寬處處相等。
在本發明所述的人工電磁材料中，所述十字框形槽的內輪廓圍成的十字形的橫線和豎線的線寬相等，線長也相等，且橫線和豎線互相垂直平分。在本發明所述的人工電磁材料中，所述十字框形槽的行間距為Z y，列間距為Zl X,每個所述十字框形槽的沿十字形的橫線的方向的總長度為Wb,沿十字形的豎線的方向的總長度為Wa，各尺寸滿足」X=」y,Zlx<V2Wa,ffa = Wb。在本發明所述的人工電磁材料中，所述十字框形槽的行間距」y和列間距」X滿足zjx=Zy=5 Vimm,沿十字形的橫線的方向的總長度Wa和沿豎線的方向的總長度Wb滿足^ = ffb=7. 3mm,槽寬為 O. 3mm。在本發明所述的人工電磁材料中，金屬箔的厚度為O. 018mm，所述基板的厚度為3. 2mmο 在本發明所述的人工電磁材料中，所述人工電磁材料的工作頻段為8 12GHz。本發明還涉及一種天線罩，用於罩設在天線本體上，包括上述人工電磁材料。本發明還涉及一種天線系統，包括天線本體以及上述天線罩，所述天線罩罩設於天線本體上。實施本發明的技術方案，具有以下有益效果由於金屬箔上鏤空有結構特別的十字框形槽，使附有這種金屬箔的天線罩具有良好的頻率選擇功能，能夠滿足特定場合例如軍事上隱身等特殊需求。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖I是依據本發明的人工電磁材料的剖面結構示意圖；圖2是圖I中的金屬箔的結構示意圖；圖3是圖2中的十字框形槽的結構示意圖；圖4是具有圖2所示金屬箔的帶同頻率選擇天線罩的頻率響應仿真圖。
具體實施例方式本發明提供了一種人工電磁材料，包括至少一個非導電材料製成的基板和附著在基板表面上的金屬箔。這裡的非導電材料有多種選擇，例如陶瓷、FR4、F4B (聚四氟乙烯)、HDPE (高密度聚乙烯，High Density Polyethylene)、或 ABS (Acrylonitrile ButadieneStyrene )、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料等。如圖I所不，本實施例中的人工電磁材料I具有二層依次置加的基板3,相鄰兩基板3之間各附著有一層金屬箔2。兩層金屬箔2完全相同，三層基板則選擇為上、下兩層為相同材料，中間的基板為另一種材料。因為上、下兩層基板分別與空氣接觸，因此選擇介電常數比較接近於I的材料。中間層為了增強金屬箔的響應，選擇介電常數比上、下層高的材料。同樣，當基板3超過三層時，最裡層和最外層的基板3選用介電常數接近I的材料，中間幾層可以根據實際需要而調整。金屬箔2的結構如圖2所示，為均勻等厚的金屬箔片，可以為銅箔、銀箔、金箔等導電性能好的金屬材料。金屬箔2上鏤空有多個相同的十字框形槽4且它們周期性排布。所謂十字框形槽4，是指繞一個「十」字的外邊緣一圈開槽所形成的框結構，則十字框形槽4的內輪廓即圍成上述十字形，而該槽為具有一定寬度的封閉曲線。圖2中陰影所示為十字框形槽4,空白部分表不金屬箔實體。十字框形槽4如圖3所示，內輪廓的十字形40包括相互垂直正交的橫線和豎線，優選二者的線長和線寬均相等，且二者相互垂直平分。橫線所在的方向用Si表示，豎線所在的方向用S2表示。十字框形槽4的槽寬也處處相等，如圖3所示，則整個結構繞其中心點O成90度旋轉對稱結構。多個十字框形槽4成矩形陣列排布，排布的每行、每列的方向分別為與十字框形槽4的十字形的豎線方向S2成45度、-45度角(逆時針為正)的方向，即如圖3所示，以任一^h字框形槽4的中心點O為原點，以與豎線成45度角的方向為X軸，以與豎線成-45度角的方向為y軸。如圖2所示，已知十字框形槽4的行間距(即同一列上相鄰兩十字框形槽的中心點O的距離)為」y，列間距(同一行上相鄰兩十字框形槽的中心點O的距離)為」X， 在XOY軸坐標系內，每個十字框形槽的中心點O的坐標均滿足(n」x，m」y)，其中n，m為任意整數。本發明中，行間距和列間距相等，即」X= Z I。為了獲得較好的頻率選擇效果，應在金屬箔2上分布儘可能多的十字框形槽4，同時為了避免相鄰十字框形槽4之間相交而不獨立，十字框形槽4的尺寸與行間距、列間距之間必須滿足一定的條件。結合圖2、圖3可知，設每個所述十字框形槽4的沿十字形的橫線的方向SI的總長度為Wb，沿十字形的豎線的方向S2的總長度為Wa，各尺寸滿足」X=」y,Zlx<V2Wa,Wa = Wb。當Wa古Wb時，顯然將滿足其他關係式，均可根據實際情況推算。下面，將結合具體實施例來說明本發明的天線罩的應用效果。在一實施例中，如圖3所示,各參數為Zx=Zly=5Wmm,Wa = Wb=7· 3mm,槽寬w=0. 3mm,十字形的橫線、豎線的線寬L=L 5mm,金屬箔為銅箔且厚度為O. 018mm,基板的厚度為3. 2mm,上、下兩層基板介電常數ε rt=1.42、損耗角正切值tan δ =0.01，中間層基板介電常數ε rt=2. 2、損耗角正切值tanδ=0. 009。對具有上述結構特徵的人工電磁材料進行仿真，其S參數仿真圖如圖4所示。由圖4可以看到，上述人工電磁材料在9. 3GHz時，透波係數S21基本為O、反射係數Sll約為-25 ;在11. 2GHz時，人工電磁材料的S21為-O. IdB, Sll為_24dB。由圖可見，人工電磁材料在8 12GHz的頻段範圍內實現帶通，則此頻段範圍內的電磁波能夠很好的透過，而其他頻率的電磁波則會被大量損耗或反射，使得本發明的人工電磁材料具有良好的頻率選擇功能，能夠滿足特定場合例如軍事上隱身等特殊需求。需要說明的是，附圖中示意的人工電磁材料的形狀為平板狀，在實際設計時也可以根據實際需求來設計人工電磁材料的形狀，比如可以設計成圓球狀或者與天線形狀匹配的形狀(共形的人工電磁材料)等，也不排除使用多個平板狀結構拼接成需要的形狀，本發明對此不作限制。本發明還提供一種用於罩設在天線本體上的天線罩，該天線罩即包括具有上述人工電磁材料，用來對天線本體發出和接收的電磁波進行選擇性透波。本發明還提供一種天線系統，包括天線本體，以及如上文所述的人工電磁材料，人工電磁材料罩設於天線上。天線本體包括輻射源、饋電單元等，具體構成可參閱相關技術資料，本發明對此不作限制。天線本體可以是例如但不限於平板天線、網橋天線。上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明 的保護之內。
權利要求
1.一種人工電磁材料，其特徵在於，包括至少一個非導電材料製成的基板和附在所述基板表面上的金屬箔，所述金屬箔上鏤空有多個相同的十字框形槽，每個所述十字框形槽為封閉曲線且內輪廓圍成的形狀為十字形，所述十字框形槽以與其內輪廓的十字形的豎線成45度的方向為行、以與其內輪廓的十字形的豎線成-45度的方向為列、且行間距等於列間距的排布方式周期性陣列排布於所述金屬箔上。
2.根據權利要求I所述的人工電磁材料，其特徵在於，所述人工電磁材料包括三個層疊的基板，相鄰兩基板之間設置有一層所述金屬箔。
3.根據權利要求I所述的人工電磁材料，其特徵在於，所述金屬箔為銅箔或銀箔。
4.根據權利要求I所述的人工電磁材料，其特徵在於，所述十字框形槽的槽寬處處相坐寸ο
5.根據權利要求4所述的人工電磁材料，其特徵在於，所述十字框形槽的內輪廓圍成的十字形的橫線和豎線的線寬相等，線長也相等，且橫線和豎線互相垂直平分。
6.根據權利要求5所述的人工電磁材料，其特徵在於，所述十字框形槽的行間距為」y，列間距為」X，每個所述十字框形槽的沿十字形的橫線的方向的總長度為Wb，沿十字形的豎線的方向的總長度為Wa，各尺寸滿足」X=」y,Zlx<V2 Wa^Wa=WbO
7.根據權利要求6所述的人工電磁材料，其特徵在於，所述十字框形槽的行間距Zy和列間距」X滿足ZlX= z] y=5 4l mm，沿十字形的橫線的方向的總長度Wa和沿豎線的方向的總長度Wb滿足Wa = Wb = 7. 3mm,槽寬為O. 3mm。
8.根據權利要求7所述的人工電磁材料，其特徵在於，金屬箔的厚度為O.018mm，所述基板的厚度為3. 2mm。
9.根據權利要求8所述的人工電磁材料，其特徵在於，所述人工電磁材料的工作頻段為 8 12GHz。
10.一種天線罩，其特徵在於，用於罩設在天線本體上，包括具有權利要求I至9任一項所述的人工電磁材料。
11.一種天線系統，其特徵在於，包括天線本體以及權利要求10所述的天線罩，所述天線罩罩設於天線本體上。
全文摘要
本發明涉及一種人工電磁材料、天線罩及天線系統，該人工電磁材料包括至少一個非導電材料製成的基板和附在所述基板表面上的金屬箔，所述金屬箔上鏤空有多個相同的十字框形槽，每個所述十字框形槽為封閉曲線且內輪廓圍成的形狀為十字形，所述十字框形槽以與其內輪廓的十字形的豎線成45度的方向為行、以與其內輪廓的十字形的豎線成-45度的方向為列、且行間距等於列間距的排布方式周期性陣列排布於所述金屬箔上。天線罩具有上述人工電磁材料，天線系統包括由上述天線罩。由於金屬箔上鏤空有結構特別的十字框形槽，使附有這種金屬箔的天線罩具有良好的頻率選擇功能，能夠滿足特定場合例如軍事上隱身等特殊需求。
文檔編號H01Q1/42GK102769198SQ20121022050
公開日2012年11月7日 申請日期2012年6月29日 優先權日2012年6月29日
發明者付少麗, 劉若鵬, 方小偉, 趙治亞 申請人:深圳光啟創新技術有限公司