微波天線罩及微波天線系統的製作方法與工藝

2023-06-10 16:21:51

本發明涉及天線罩，更具體地說，涉及微波天線罩及微波天線系統。

背景技術：
超材料，俗稱超材料，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。基板可以虛擬地劃分為矩形陣列排布的多個基板單元，每個基板單元上附著有人造微結構，從而形成一個超材料單元，整個超材料是由很多這樣的超材料單元組成的，就像晶體是由無數的晶格按照一定的排布構成的。每個超材料單元上的人造微結構可以相同或者不完全相同。人造微結構是由金屬絲組成的具有一定幾何圖形的平面或立體結構，例如組成圓環形、工字形的金屬絲等。由於人造微結構的存在，每個超材料單元具有不同於基板本身的電磁特性，因此所有的超材料單元構成的超材料對電場和磁場呈現出特殊的響應特性；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。但是天線罩是天線前面的障礙物，對天線輻射波會產生吸收和反射，改變天線的自由空間能量分布，並在一定程度上影響天線的電氣性能。目前製備天線罩的材料多採用介電常數和損耗角正切低、機械強度高的材料，如玻璃鋼、環氧樹脂、高分子聚合物等，材料的介電常數具有不可調節性。結構上多為均勻單壁結構、夾層結構和空間骨架結構等，罩壁厚度的設計需兼顧工作波長、天線罩尺寸和形狀、環境條件、所用材料在電氣和結構上的性能等因素，在保護天線免受外部環境影響的條件下不具備增強天線方向性和提高天線增益的功能，透波性能較差。而且，通常天線加上天線罩後，天線系統的結構尺寸大大增加。

技術實現要素：
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述透波性能較差，不能提高天線增益、增加天線尺寸的缺陷，提供一種微波天線罩及微波天線系統。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：提供一種微波天線罩，所述微波天線罩罩設於微波天線上且與微波天線固定連接形成封閉的腔體；所述微波天線罩包括至少一個超材料片層，每一超材料片層包括第一基板和陣列排布在所述第一基板上的多個尺寸相同的人造微結構；所述人造微結構包括雪花形結構，所述雪花形結構包括十字形結構以及分別設置在所述十字形結構的四個端點上的四個尺寸相同的一字形結構；所述超材料片層中的第一基板可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元上排布有一個所述人造微結構；每一超材料單元的長和寬均為5mm，所述人造微結構與所述超材料單元的邊界之間的距離為0.05mm。在本發明所述的微波天線罩中，每一超材料片層還包括覆蓋於所述多個人造微結構上的第二基板。在本發明所述的微波天線罩中，所述微波天線為喇叭天線，所述微波天線罩罩設於所述喇叭天線的喇叭口上且與喇叭天線固定連接。在本發明所述的微波天線罩中，所述十字形結構由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構成。在本發明所述的微波天線罩中，所述一字形結構由一條金屬絲構成，所述十字形結構垂直平分所述四個一字形結構。在本發明所述的微波天線罩中，所述十字形結構的金屬線的線寬為0.1mm。在本發明所述的微波天線罩中，所述一字形結構的金屬線的線寬為0.1mm。在本發明所述的微波天線罩中，所述一字形結構的長度為3.0～3.5mm。在本發明所述的微波天線罩中，所述人造微結構的厚度為0.017mm～0.018mm。本發明還提供一種微波天線系統，包括微波天線以及如上所述的微波天線罩，所述微波天線罩與微波天線固定連接形成封閉的腔體。實施本發明的技術方案，具有以下有益效果：通過在基板上附著特定形狀的人造微結構，得到需要的電磁響應，使得基於超材料的天線罩的透波性能增強，抗幹擾能力增加。可以通過調節人造微結構的形狀、尺寸，來改變材料的相對介電常數、折射率和阻抗，從而實現與空氣的阻抗匹配，以最大限度的增加入射電磁波的透射，減少了傳統天線罩設計時對材料厚度和介電常數的限制。而且本發明的天線罩在13-18GHz頻帶內的透波效率很高，損耗較小。而且，微波天線加上天線罩後，天線的波束和輻射能力得到了匯聚，有效提高了增益，半功率波瓣寬度減小，輻射方向性增強。採用本發明的天線罩減少了整個天線系統的尺寸，減少了天線的整體體積。在達到同等增益條件下，本發明的微波天線罩能夠大大減小天線口徑面尺寸，減少天線整體體積。附圖說明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1是依據本發明一實施例的微波天線罩的一個超材料片層的結構示意圖；圖2是由多個圖1所示的超材料片層堆疊形成的微波天線罩的結構示意圖；圖3是依據本發明一實施例的超材料片層的結構示意圖；圖4是人造微結構的排布示意圖；圖5是人造微結構的示意圖；圖6是微波天線罩的S21參數示意圖；圖7示出了微波天線加上微波天線罩與不加微波天線罩的輻射方向圖對比；圖8是依據本發明一實施例的微波天線系統的整體結構示意圖。具體實施方式超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構材料，通過對微結構的有序排列，可以改變空間中每點的相對介電常數和磁導率。超材料可以在一定範圍內實現普通材料無法具備的折射率、阻抗以及透波性能，從而可以有效控制電磁波的傳播特性。基於人造微結構的微波天線罩可以通過調節人造微結構的形狀、尺寸，來改變材料的相對介電常數、折射率和阻抗，從而實現與空氣的阻抗匹配，以最大限度的增加入射電磁波的透射。並可通過調節微結構尺寸進行頻率選擇，根據需要調整相應透波和濾波頻率。本發明提供了一種微波天線罩，微波天線罩罩設於微波天線上且與微波天線固定連接形成封閉的腔體。微波天線罩包括至少一個超材料片層1，如圖1和圖2所示。每個超材料片層1包括兩個相對設置的基板和附著在兩基板之間的陣列排布的人造微結構。當超材料片層1有多個時，各個超材料片層1沿垂直於片層的方向疊加，並通過機械連接、焊接或粘合的方式組裝成一體，如圖2所示。通常，在能夠滿足性能的情況下，一個超材料片層就可以作為微波天線罩來使用。陣列排布的人造微結構所在平面與電磁波的電場和磁場方向平行，與入射電磁波傳播方向垂直。超材料片層1中的第一基板10可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元上排布有一個人造微結構。圖中示出的天線罩是板狀矩形的，在實際使用時，可以根據需求設計成其它形狀。例如如果是圓形截面的喇叭天線，則為了將天線罩罩設於喇叭天線上，則需要設計成與天線的圓形截面相匹配的圓板狀，而不是圖1所示的矩形形狀；如果使用的是矩形截面的喇叭天線，則需要將天線罩設計成與天線的矩形口徑相匹配的矩形形狀。本發明對天線罩的具體形狀不做限制。圖3示出了超材料片層的結構示意圖(透視圖)。超材料片層1包括兩塊相同的均勻等厚的片狀基板：相對設置的第一基板10和第二基板20，所述第一基板10的面向第二基板20的表面上附著有陣列排布的人造微結構30。超材料片層1可劃分為多個超材料單元，其中每一超材料單元上排布有一個所述人造微結構。在本發明一實施例中，以兩個基板為例進行說明，但是在實際設計時，也可以僅採用第一基板，而人造微結構陣列排布在第一基板10上，同樣能夠達到本發明的目的。如圖4-5所示，每一超材料單元的長和寬均為a＝5mm，人造微結構30與超材料單元的邊界之間的距離為w2＝0.05mm。每一人造微結構30包括雪花形結構，雪花形結構包括十字形結構31以及分別設置在所述十字形結構的四個端點上的四個尺寸相同的一字形結構32。十字形結構31由兩條尺寸相同且垂直平分的金屬絲構成。一字形結構32由一條金屬絲構成，十字形結構31垂直平分四個一字形結構32。十字形結構31和一字形結構32的金屬線的線寬w1＝0.1mm。一字形結構的長度為b＝3.0～3.5mm。人造微結構30的厚度為0.017mm～0.018mm。圖中c＝2.3mm。在本發明一實施例中，一字形結構的長度為b＝3mm。第一基板10和第二基板20的厚度均為1mm，人造微結構30的厚度為0.018mm。十字形結構31的金屬線的長度為2c+w1＝2*2.3+0.1＝4.7mm。此處的數值僅為示例，在實際應用中，可以依據實際需求進行調整，本發明對此不作限制。在本發明一實施例中，第一基板10和第二基板20由F4B或FR4複合材料製得。第一基板10和第二基板20之間通過填充液態基板原料或者通過組裝相互連接在一起。人造微結構30通過蝕刻的方式附著在第一基板10上，當然人造微結構30也可以採用電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或者離子刻等方式附著在第一基板10或第二基板20上。第一基板10和第二基板20也可以採用其他材料製成，比如陶瓷、聚四氟乙烯、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料製成。人造微結構30採用銅線製成，當然也可以採用銀線、ITO、石墨或者碳納米管等導電材料製成。附圖中示意的天線罩的形狀為平板狀，在實際設計時也可以根據實際需求來設計天線罩的形狀，比如可以設計成圓球狀或者與天線形狀匹配的形狀(共形的天線罩)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。本實施例的微波天線罩的S21參數隨頻率變化的示意圖如圖6所示，所用第一基板10和第二基板20為styrosun介質基板。由圖6可以看到，本發明的技術方案在基板上附著人造微結構後S21參數在13GHz時，S21參數為-0.46317dB，在18GHz時，S21參數為-0.53906dB，在15GHz時，S21參數為0.075486dB。從圖中可知，在13-18GHz範圍內S21參數基本上都大於-0.5dB，在15GHz，更是接近於-0.075dB。採用本發明的天線罩具有良好的透波性能，損耗較小。圖7示出了微波天線加上微波天線罩與不加微波天線罩的輻射方向圖對比。仿真時採用的微波天線是喇叭天線。喇叭天線加上本發明的微波天線罩後，方向圖被壓縮，喇叭天線的波束和輻射能量得到了匯聚，有效提高了增益和方向性。加上微波天線罩，喇叭天線的增益從17.4dB提高到18.4dB，半功率波瓣寬度減小，輻射方向性增強，而旁瓣基本上沒有升高。圖8是依據本發明一實施例的微波天線系統的整體結構示意圖。微波天線罩801罩設於微波天線802上，其中這裡的微波天線802以喇叭天線進行示意，並不作為對本發明的限制。微波天線罩801與微波天線802固定連接形成封閉的腔體。微波天線罩801的具體構成和設計參見上文所述，此處不再贅述。微波天線802與微波天線罩801之間的固定方式可以使螺母聯接，也可以是卡扣連接，本發明對固定方式不做限制。本發明通過在基板上附著特定形狀的人造微結構，得到需要的電磁響應，使得基於超材料的天線罩的透波性能增強，抗幹擾能力增加。可以通過調節人造微結構的形狀、尺寸，來改變材料的相對介電常數、折射率和阻抗，從而實現與空氣的阻抗匹配，以最大限度的增加入射電磁波的透射，減少了傳統天線罩設計時對材料厚度和介電常數的限制。而且本發明的天線罩在13-18GHz頻帶內的透波效率很高，損耗較小。而且，微波天線加上天線罩後，天線的波束和輻射能力得到了匯聚，有效提高了增益，半功率波瓣寬度減小，輻射方向性增強。採用本發明的天線罩減少了整個天線系統的尺寸。在達到同等增益條件下，本發明的微波天線罩能夠大大減小天線口徑面尺寸，減少天線整體體積。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。