作用在C波段及Ku波段的超材料频选天线罩及天线系统技术方案

技术编号:14843405 阅读:83 留言:0更新日期:2017-03-17 10:56
本发明专利技术公开了一种作用在C波段及Ku波段的超材料频选天线罩及天线系统,涉及超材料领域。该天线罩主要工作在C波段及Ku波段,该天线罩包括1~3层超材料片层,每一超材料片层包括介质基板和阵列排布在所述介质基板上的多个尺寸相同的人造微结构;所述人造微结构的横截面为十字分形单元,通过改变十字分形单元的阶数、尺寸以及位置,来调整超材料的谐振频率。本发明专利技术通过在基板上附着特定形状的人造微结构,得到所需的电磁响应,使得超材料的频选特性及透波性能增强。本发明专利技术的超材料频选天线罩工作频带在很宽的频率范围内可调,且在此频带外透波效率很高,损耗较小。而且,电磁波以一定角度入射时,仍然具有很好的频选性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超材料领域,具体是涉及一种作用在C波段及Ku波段的超材料频选天线罩及天线系统
技术介绍
超材料是一种人工电磁功能材料,其基本组成单元是介于宏观与微观之间的介观微结构。以左手材料,光子晶体,频率选择表面(FSS)为代表的超材料在光学成像,小型化天线,电磁波隐形等领域有广泛的应用前景。基本思想是用人工设计的微结构来产生电响应或磁响应,从而实现可控的介电常数或磁导率。超材料技术是一种材料逆向设计技术,具有超越自然界材料的电磁响应特性。整个超材料是由很多超材料单元组成的,每个超材料单元上的人造微结构可以相同或者不完全相同。人造微结构是由金属丝组成的具有一定几何图形的平面或立体结构,例如组成圆环形、工字形的金属丝等。由于人造微结构的存在,每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性,因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性,通过对人造微结构设计不同的具体结构和形状,可以改变整个超材料的响应特性。目前通常采用的超材料为开口谐振环结构,难以在宽频范围内实现频段功能。一般情况下,天线系统都会设置有天线罩。天线罩的目的是保护天线系统免受风雨、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。同时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,并在一定程度上影响天线的电气性能。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,材料的介电常数具有不可调节性。结构上多为均匀单壁结构、夹层结构和空间骨架结构等,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,较难达到高透波要求,即使在保证高透射率的条件下也不具备选择性透波功能。而且,天线罩的工作频段较窄,一般只能在C波段或Ku波段工作,在不同的频段需求下需要更换天线罩,无法实现资源的重复使用,导致资源的浪费以及设备成本的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有的天线罩无法实现宽频段内的频选特性的缺陷,提供一种超材料频选天线罩,本专利技术通过设计人造微结构的形状及分型结构的阶数,能够使得该超材料频选天线罩在C波段及Ku波段改变谐振频率,在较宽频段提供较稳定的频选特性。本专利技术提供一种超材料频选天线罩,该天线罩的工作频段在C波段及Ku波段,该天线罩包括1~3层的超材料片层,所述超材料片层包括第一介质基板、人造微结构,所述第一介质基板包括呈周期性阵列排布的若干个尺寸相同的超材料单元,所述超材料单元的横截面均呈正方形,其边长a的取值为15~19mm;每个超材料单元的表面各设置一个人造微结构,所述人造微结构整体中心对称,且所述人造微结构的中心与所在的超材料单元的中心重合,所述人造微结构采用导电材料制成,所述人造微结构的厚度为0.01~0.023mm;所述人造微结构的横截面为十字分形单元,每个十字分形单元包括至少一个十字形结构,通过改变十字分形单元的阶数、尺寸以及位置,来调整所述超材料片层的谐振频率;每个十字分形单元的整体轮廓为正方形,该正方形的边长为b,且(a-b)/2的取值为1~3mm,所述十字分形单元中每条边的宽度为0.6~0.9mm。在上述技术方案的基础上,所述十字分形单元的阶数为零时,称为零阶十字分形单元,零阶十字分形单元只包括一个十字形结构。在上述技术方案的基础上,所述零阶十字分形单元中的十字形结构的两条边长度相同,每条边的长度为18~22mm。在上述技术方案的基础上,所述十字分形单元的阶数为1时,称为一阶十字分形单元,一阶十字分形单元包括四个零阶十字分形单元,四个零阶十字分形单元围绕中心点拼接组成一个整体。在上述技术方案的基础上,所述四个零阶十字分形单元尺寸相同,所述人造微结构的中心点设为O,所述零阶十字分形单元的中部交点为A,OA两点的间距为S1,所述十字分形单元的对角线长度为L1,S1:L1=1:2~6,L1的取值为18~22mm。在上述技术方案的基础上,所述十字分形单元为二阶十字分形单元时,二阶十字分形单元包括四个一阶十字分形单元,四个一阶十字分形单元围绕中心点拼接组成一个整体。在上述技术方案的基础上,所述四个一阶十字分形单元尺寸相同,所述人造微结构的中心点设为O,所述一阶十字分形单元的中部交点为B,所述一阶十字分形单元中靠近所述人造微结构中心点的一个零阶十字分形单元的中部交点为C,OC两点的间距为S2,OB两点的间距为S3,S2:S3的取值为3~8:12,所述十字分形单元的对角线长度为L1,S3:L1=1:2~6,L1的取值为18~22mm。在上述技术方案的基础上,所述超材料片层还包括覆盖于所述人造微结构上的第二介质基板,所述第二介质基板与所述第一介质基板紧密贴合。在上述技术方案的基础上,所述第一介质基板、第二介质基板采用聚甲基丙烯酸酰亚胺泡沫或者环氧玻璃布层压板制成。本专利技术提供一种天线系统,该系统包括天线和天线罩,所述天线罩罩设于所述天线上方,所述天线罩为上述的超材料频选天线罩。与现有技术相比,本专利技术的优点如下:本专利技术通过在基板上附着特定形状的人造微结构,得到需要的电磁响应,使得超材料的频选特性增强,抗干扰能力增加。可以通过调节人造微结构的形状、尺寸,来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗,从而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。本专利技术的工作频带为C波段及Ku波段,通过设计人造微结构的形状及十字分形单元结构的阶数,能够使得该超材料频选天线罩在C波段及Ku波段改变谐振频率,在较宽频段提供较稳定的频选特性。本专利技术的天线罩的工作频带可通过十字分形单元的阶数及位置调整,且在此频带外的透波效率很高,损耗较小。而且,电磁波带一定角度入射时,仍然具有很好的透波性能。附图说明图1是本专利技术实施例中具有两层基板的超材料片层的结构示意图;图2是十字分形单元阶数迭代示意图;图3是本专利技术实施例1的超材料片层的结构示意图;图4是本专利技术实施例1单个超材料单元的结构示意图;图5是本专利技术实施例2的超材料片层的剖面结构示意结构示意图;图6是本专利技术实施例2单个超材料单元的结构示意图;图7是实施例1、2中电磁波垂直入射时的仿真示意图;图8是实施例1、2中电磁波以30°角度斜入射时的仿真示意图。附图标记:1-第一介质基板,1a-超材料单元,2-人造微结构,3-第二介质基板。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细描述。参见图1所示,本专利技术实施例提供一种超材料频选天线罩,该天线罩包括1~3层的超材料片层,超材料片层包括第一介质基板1、人造微结构2,第一介质基板1包括呈周期性阵列排布的若干个尺寸相同的超材料单元1a,超材料单元1a的横截面均呈正方形,其边长a的取值为15~19mm;超材料片层还可以包括覆盖于人造微结构2上的第二介质基板3,第二介质基板3与第一介质基板1紧密贴合。在本专利技术实施例中,第一介质基板1和第二介质基板3可以采用聚甲基丙烯酰亚胺PMI泡沫、环氧玻璃布层压板制成,也可以采用其他材料制成,比如陶瓷、聚四氟乙烯。每个超材料单元1a的表面各设置一个人造微结构2,人造微结构2整体中心对称,且人造微结构2的中心与所在的超本文档来自技高网
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作用在C波段及Ku波段的超材料频选天线罩及天线系统

【技术保护点】
一种超材料频选天线罩,其特征在于:该天线罩的工作频段在C波段及Ku波段,该天线罩包括1~3层的超材料片层,所述超材料片层包括第一介质基板、人造微结构,所述第一介质基板包括呈周期性阵列排布的若干个尺寸相同的超材料单元,所述超材料单元的横截面均呈正方形,其边长a的取值为15~19mm;每个超材料单元的表面各设置一个人造微结构,所述人造微结构整体中心对称,且所述人造微结构的中心与所在的超材料单元的中心重合,所述人造微结构采用导电材料制成,所述人造微结构的厚度为0.01~0.023mm;所述人造微结构的横截面为十字分形单元,每个十字分形单元包括至少一个十字形结构,通过改变十字分形单元的阶数、尺寸以及位置,来调整所述超材料片层的谐振频率;每个十字分形单元的整体轮廓为正方形,该正方形的边长为b,且(a‑b)/2的取值为1~3mm,所述十字分形单元中每条边的宽度为0.6~0.9mm。

【技术特征摘要】
1.一种超材料频选天线罩,其特征在于:该天线罩的工作频段在C波段及Ku波段,该天线罩包括1~3层的超材料片层,所述超材料片层包括第一介质基板、人造微结构,所述第一介质基板包括呈周期性阵列排布的若干个尺寸相同的超材料单元,所述超材料单元的横截面均呈正方形,其边长a的取值为15~19mm;每个超材料单元的表面各设置一个人造微结构,所述人造微结构整体中心对称,且所述人造微结构的中心与所在的超材料单元的中心重合,所述人造微结构采用导电材料制成,所述人造微结构的厚度为0.01~0.023mm;所述人造微结构的横截面为十字分形单元,每个十字分形单元包括至少一个十字形结构,通过改变十字分形单元的阶数、尺寸以及位置,来调整所述超材料片层的谐振频率;每个十字分形单元的整体轮廓为正方形,该正方形的边长为b,且(a-b)/2的取值为1~3mm,所述十字分形单元中每条边的宽度为0.6~0.9mm。2.如权利要求1所述的超材料频选天线罩,其特征在于:所述十字分形单元的阶数为零时,称为零阶十字分形单元,零阶十字分形单元只包括一个十字形结构。3.如权利要求2所述的超材料频选天线罩,其特征在于:所述零阶十字分形单元中的十字形结构的两条边长度相同,每条边的长度为18~22mm。4.如权利要求2所述的超材料频选天线罩,其特征在于:所述十字分形单元的阶数为1时,称为一阶十字分形单元,一阶十字分形单元包括四个零阶十字分形单元,四个零阶十字分形单元围绕中心点拼接组成一个整体。5.如权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员:王俊鹏王绪超夏云何惊华袁芝金
申请(专利权)人:航天科工武汉磁电有限责任公司
类型:发明
国别省市:湖北;42

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