低損耗透波材料及其天線罩和天線系統的製作方法
2023-11-30 23:17:51
專利名稱：低損耗透波材料及其天線罩和天線系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及天線罩，更具體地說，涉及低損耗透波材料及其天線罩和天線系統。
背景技術：
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，損耗較大，透波性能較差。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述損耗較大、透波性能較差的缺陷，提供低損耗透波材料及其天線罩和天線系統。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是構造一種低損耗透波材料，包括由非金屬材料製成的第一基板和第二基板，以及夾設在第一基板和第二基板之間的金屬層，所述金屬層上鏤刻有多個具有三條分叉的三分叉槽結構，所述三分叉槽結構的三條分叉共端點且彼此之間所成夾角為鈍角。在本發明所述的低損耗透波材料中，所述低損耗透波材料還包括覆蓋於所述第一基板外表面的多個陣列排布的第二金屬微結構和覆蓋於所述第二基板外表面的多個陣列排布的第三金屬微結構。在本發明所述的低損耗透波材料中，所述第二金屬微結構為三分叉金屬微結構，所述三分叉金屬微結構的三條分叉共端點且彼此之間所成夾角為鈍角。在本發明所述的低損耗透波材料中，所述第三金屬微結構與第二金屬微結構的形狀和尺寸相同。在本發明所述的低損耗透波材料中，所述三分叉金屬微結構在第一基板外表面的位置與所述三分叉槽結構在第一基板和第二基板之間的位置相對應。在本發明所述的低損耗透波材料中，所述三分叉槽結構以其任一分叉的對稱軸所在的方向為行、以與所述對稱軸成60度的方向為列、且行間距等於列間距的方式周期性排布。在本發明所述的低損耗透波材料中，所述三分叉金屬微結構以其任一分叉的對稱軸所在的方向為行、以與所述對稱軸成60度的方向為列、且行間距等於列間距的方式周期性排布。
在本發明所述的低損耗透波材料中，所述第一基板和所述第二基板的介電常數為
2.65，損耗角正切值為O. 001。本發明還提供一種天線罩，用於罩設在天線上，包括如上所述的低損耗透波材料。本發明還提供一種天線系統，包括天線以及如上所述的天線罩，所述天線罩罩設於天線上。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金屬
微結構，得到需要的電磁響應，使得天線罩的透波性能增強，抗幹擾能力增加。可以通過調
節金屬微結構的形狀、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。本發明的低損耗透波材料及其天線罩和天線系統可工作在X波段，在
此波段內的透波效率很高。天線加上天線罩後，天線的輻射能力得到了加強，有效提高了增.、
Mo而且，通過調節三分叉槽結構和三分叉金屬微結構的尺寸能夠改變透波材料、天線罩和天線系統的工作頻段的帶寬。
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是依據本發明一實施例的低損耗透波材料的結構示意圖；圖2是圖I所述低損耗透波材料的俯視圖；圖3是圖2所示的三分叉槽結構31的周期性排布示意圖；圖4是依據本發明另一實施例的低損耗透波材料的結構示意圖；圖5是圖4所示的第二金屬層在第一基板上的排布示意圖；圖6是圖5所示的第二金屬微結構在第一基板外表面的周期性排布示意圖；圖7是圖4所示的第三金屬層在第二基板上的排布示意圖；圖8是依據本發明一實施例的低損耗透波材料的S參數仿真示意圖。
具體實施例方式本發明提供一種低損耗透波材料，如圖I所示，包括由非金屬材料製成的第一基板10和第二基板20，以及夾設在第一基板10和第二基板20之間的金屬層，金屬層上鏤刻有多個具有三條分叉的三分叉槽結構31，三分叉槽結構31的三條分叉共端點且彼此之間所成夾角為鈍角。可以理解的是，說明書附圖中示出的三分叉槽結構31的數目僅為示意，用於說明人造微結構之間的排布情況，不作為對本發明的限制。製造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 Density Polyethylene)、ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)、鐵電材料、或者鐵磁材料等。第一基板10、第二基板20優選介電常數為2. 65，損耗角正切為O. 001的材料。在本發明一實施例中，三分叉槽結構31的三條分叉彼此之間所成夾角為120度，也可以為不相等的鈍角，例如分別為100度、120度、140度，110度、120度、130度，等等。三分叉槽結構31的三條分叉的端部可以為弧形，例如半圓弧、橢圓弧等。
三分叉槽結構31排布在基板上，其排布方式有多種，常見的如矩形陣列排布，即以任一方向為行、以垂直於該方向的方向為列，按照一定的行間距和列間距排布即可。本發明中，三分叉槽結構31自身的結構特點，設計一種新的周期性排布方式。如圖2、3所示。三分叉槽結構31以其任一分叉的對稱軸所在的方向為行(記作X方向)、以與該對稱軸成60度的方向為列(記作I方向)周期性排布、且行間距(同一列上相鄰兩個三分叉槽結構31的中心點O、03之間的距離，記作」y)等於列間距(同一行上相鄰兩個三分叉槽結構31的中心點0、03之間的距離，記作」X)。則由圖3可知，相鄰兩行、相鄰兩列上的四個三分叉槽結構31的中心點O、01、02、03四點的連線構成銳角為60的菱形四邊形。採用這種排布方式，可以儘可能充分地利用基板表面的空間來排布三分叉槽結構31。圖4是依據本發明另一實施例的低損耗透波材料的結構示意圖。低損耗透波材料包括兩層基板第一基板10和第二基板20，以及三層金屬層1、2、3。其中金屬層I即為圖I所示的金屬層。與圖I不同的是，除了圖I中的第一基板10和第二基板20以及金屬層夕卜，還包括第二金屬層2和第三金屬層3。第二金屬層2覆蓋於第一基板10外表面，由多個 陣列排布的第二金屬微結構構成。第三金屬層3覆蓋於第二基板20外表面，由多個陣列排布的第三金屬微結構構成。第二、第三金屬微結構為導電材料製成的具有一定幾何圖案的平面結構。這裡的導電材料，可以是金、銀、銅等導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電的非金屬材料。本發明中，優選銅或銀。第一基板10、第二基板20的厚度為O. 5 1.5mm。第二金屬微結構在第一基板10外表面的排布及具體形狀見圖5、6所示。第二金屬微結構為三分叉金屬微結構32，三分叉金屬微結構32的三條分叉共端點且彼此之間所成夾角為120度。在本發明一實施例中，三分叉金屬微結構32的三條分叉彼此之間所成夾角為120度，也可以為不相等的鈍角，例如分別為100度、120度、140度，110度、120度、130度，等等。三分叉金屬微結構32的三條分叉的端部可以為弧形，例如半圓弧、橢圓弧等。與上文所述的三分叉槽結構31的排布情況類似。三分叉金屬微結構32以其任一分叉的對稱軸所在的方向為行(記作X方向)、以與該對稱軸成60度的方向為列(記作y方向)周期性排布、且行間距(同一列上相鄰兩個三分叉金屬微結構32的中心點0、03之間的距離，記作」y)等於列間距(同一行上相鄰兩個三分叉金屬微結構32的中心點O、03之間的距離，記作」X)。則由圖6可知，相鄰兩行、相鄰兩列上的四個三分叉金屬微結構32的中心點0、01、02、03四點的連線構成銳角為60的菱形四邊形。採用這種排布方式，可以儘可能充分地利用基板表面的空間來排布三分叉金屬微結構32。在本發明一優選實施例中，第三金屬微結構的形狀和尺寸與第二金屬微結構的的形狀和尺寸相同，也為三分叉金屬微結構，具體可參見上文所述。圖7給出了圖4所示的第三金屬層3在第二基板20上的排布示意圖。三分叉金屬微結構32在第一基板10外表面的位置與三分叉槽結構31在第一基板10和第二基板20之間的位置相對應。也就是說，俯視圖4所示的低損耗透波材料，三層金屬層上的三分叉槽結構31、三分叉金屬微結構32、三分叉金屬微結構33的中心相對應。根據所需的透波材料或天線罩的工作頻段範圍，可以適應地調整、三分叉槽結構31、三分叉金屬微結構32、33的尺寸大小以及行、列間距，以滿足不同的需求。下面將結合具體實施例來說明本發明的低損耗透波材料的應用效果。在一實施例中，圖3中的三分叉槽結構31的各參數值為行間距和列間距」X=」y=5mm，槽寬Wl為O. 7mm，三分叉槽結構31的三條分叉的端部為半圓弧狀。圖6中的三分叉金屬微結構32的各參數值為行間距和列間距」X=」y=5mm，槽寬W2為I. 8mm，三分叉金屬微結構32的三條分叉的端部為半圓弧狀。在本發明一實施例中，第一基板10和第二基板20由聚四氟乙烯(F4B)製得。第一金屬微結構31和第二、第三金屬微結構32、33由銅製成。第一基板10、第二基板20的介電常數ε r=2. 65，損耗角正切值tan δ =0.001。第一基板10、第二基板20的厚度為1mm，金屬微結構32、33的厚度為O. 018mm。上述參數僅為一實例，並不作為對本發明的限制。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。三層金屬層1、2、3通過蝕刻的方式附著在基板上，當然也可以採用電鍍、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、HIPS(耐衝擊性聚苯乙烯,High impact polystyrene)材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料製成。對具有上述參數的低損耗透波材料進行仿真，其S參數仿真圖如圖8所示。由圖 8可以看到，在X波段(8 12GHz)範圍內透波效果很好。而在其它頻段S21參數小，反射係數大，具有濾波作用。在實際應用時，通過調節三分叉槽結構31、三分叉金屬微結構32、三分叉金屬微結構33的尺寸，可以改變材料的相對介電常數、折射率和阻抗，從而工作頻段可以向高頻或低頻移動，或者改變工作頻段的帶寬。因此，本發明還提供一種天線罩，該天線罩由上文所述的低損耗透波材料製成，用於罩設於在天線上，對天線起到保護作用的同時，保證天線在工作頻段正常工作，屏蔽掉不相關頻段，排除幹擾。需要說明的是，天線罩的形狀可以為與附圖中的低損耗透波材料形狀相同的平板狀，也可以根據實際需求來設計天線罩的形狀，比如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。本發明還提供一種天線系統，包括天線，以及如上文所述的天線罩，天線罩罩設於天線上。天線包括輻射源、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、微波天線、雷達天線等。本發明的低損耗透波材料及其天線罩和天線系統可工作在X波段，在此波段內的透波效率很高。天線加上天線罩後，天線的輻射能力得到了加強，有效提高了增益。而且，通過調節三分叉槽結構和三分叉金屬微結構的尺寸能夠改變透波材料、天線罩和天線系統的工作頻段的帶寬。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
1.一種低損耗透波材料，其特徵在於，包括由非金屬材料製成的第一基板和第二基板，以及夾設在第一基板和第二基板之間的金屬層，所述金屬層上鏤刻有多個具有三條分叉的三分叉槽結構，所述三分叉槽結構的三條分叉共端點且彼此之間所成夾角為鈍角。
2.根據權利要求I所述的低損耗透波材料，其特徵在於，所述低損耗透波材料還包括覆蓋於所述第一基板外表面的多個陣列排布的第二金屬微結構和覆蓋於所述第二基板外表面的多個陣列排布的第三金屬微結構。
3.根據權利要求2所述的低損耗透波材料，其特徵在於，所述第二金屬微結構為三分叉金屬微結構，所述三分叉金屬微結構的三條分叉共端點且彼此之間所成夾角為鈍角。
4.根據權利要求3所述的低損耗透波材料，其特徵在於，所述第三金屬微結構與第二金屬微結構的形狀和尺寸相同。
5.根據權利要求3所述的低損耗透波材料，其特徵在於，所述三分叉金屬微結構在第一基板外表面的位置與所述三分叉槽結構在第一基板和第二基板之間的位置相對應。
6.根據權利要求I所述的低損耗透波材料，其特徵在於，所述三分叉槽結構以其任一分叉的對稱軸所在的方向為行、以與所述對稱軸成60度的方向為列、且行間距等於列間距的方式周期性排布。
7.根據權利要求3所述的低損耗透波材料，其特徵在於，所述三分叉金屬微結構以其任一分叉的對稱軸所在的方向為行、以與所述對稱軸成60度的方向為列、且行間距等於列間距的方式周期性排布。
8.根據權利要求I所述的低損耗透波材料，其特徵在於，所述第一基板和所述第二基板的介電常數為2. 65，損耗角正切值為O. 001。
9.一種天線罩，其特徵在於，用於罩設在天線上，包括如權利要求廣8任一項所述的低損耗透波材料。
10.一種天線系統，其特徵在於，包括天線以及如權利要求9所述的天線罩，所述天線罩罩設於天線上。
全文摘要
本發明涉及低損耗透波材料及其天線罩和天線系統。低損耗透波材料包括由非金屬材料製成的第一基板和第二基板，以及夾設在第一基板和第二基板之間的金屬層，所述金屬層上鏤刻有多個具有三條分叉的三分叉槽結構，所述三分叉槽結構的三條分叉共端點且彼此之間所成夾角為120度。本發明還提供一種天線罩和天線系統。本發明的低損耗透波材料及其天線罩和天線系統可工作在可工作在X波段，在此波段內的透波效率很高。天線加上天線罩後，天線的輻射能力得到了加強，有效提高了增益。而且，通過調節三分叉槽結構和三分叉金屬微結構的尺寸能夠改變透波材料、天線罩和天線系統的工作頻段的帶寬。
文檔編號H01Q1/42GK102832453SQ20121022053
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月18日 優先權日2012年9月18日
發明者劉若鵬, 趙治亞, 方小偉, 付少麗 申請人:深圳光啟創新技術有限公司