一体化可调制超材料天线罩和天线组件制造技术

本发明专利技术公开了一种一体化可调制超材料天线罩和天线组件，包括高增益天线和超材料天线罩，超材料天线罩由三层阵列超材料板叠加固定形成，阵列超材料板由介质板和超材料单元组成，且超材料单元从上到下、从左到右均匀排布在介质板上形成N×N阵列，N≥7；阵列超材料板采用零折射率超材料板，高增益天线为工作频段为10GHz的微带贴片天线，超材料单元是两端向内折弯的工字型金属结构，其长度和宽度均为5mm，其折弯长度为1.85mm。阵列超材料板中上下、左右相邻的两个超材料单元的间隙为0.4~0.6mm，高增益天线与超材料天线罩的间距为21~25mm，微带贴片天线的增益达到9.572dBi，获得高效率透射。

【技术实现步骤摘要】
一体化可调制超材料天线罩和天线组件
本专利技术属于飞行器平台舱内无线通信与电磁屏蔽
，涉及一种一体化可调制超材料天线罩和天线组件。
技术介绍
目前，绝大多数飞行器的内部通信仍然依靠各类常规线缆设备传输数字信息和控制信号，使用飞行器内部的数据通信线缆进行通信，由于其固定件、接插件及其他辅助器件占整个飞行器总重量的10%~15%，这些会对各类飞行器的飞行任务造成了沉重的负担和成本浪费。为避免飞行器内部的数据通信线缆、固定件、接插件及其他辅助器件对各类飞行器的飞行任务造成沉重的负担和成本浪费，国内外各类研究机构都在积极的对飞行器内部通信线缆进行减负，如使用无线技术进行通信，但在在狭小的密闭金属舱体内，电源、雷达信号源、数字通信源等有源或无源的部件会相互影响并产生一个异常复杂的电磁传输环境，包括不同频率的电磁波、脉冲、数据信号、噪声等，这些决定了舱内异常复杂的电磁传输环境是无线数据传输系统需要面对的首要问题，因此需要解决电磁屏蔽的问题。但目前常使用的电磁隔离技术有静电屏蔽和电磁屏蔽，它们都需要有完整的高导电性的材料作为电磁屏蔽结构覆盖相应的结构表面，如果将这些传统屏蔽应用于舱内无线通信系统，意味着无线系统需要负担额外的重量和较差的无线通信信道，得不偿失。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种一体化可调制超材料天线罩和天线组件，以解决现有飞行器内部采用无线通讯时电磁信号受舱内通讯设备干扰较大的问题。本专利技术实施例所采用的技术方案是，一体化可调制超材料天线罩和天线组件，包括高增益天线和超材料天线罩，超材料天线罩由三层阵列超材料板叠加固定形成，阵列超材料板由介质板和超材料单元组成，且超材料单元从上到下、从左到右均匀排布在介质板上形成N×N阵列，N≥7。进一步的，所述阵列超材料板采用零折射率超材料板。进一步的，所述超材料单元是两端向内折弯的工字型金属结构，其长度和宽度均为5mm，其折弯长度为1.85mm。进一步的，所述阵列超材料板中上下、左右相邻的两个超材料单元的间隙为0.4~0.6mm。进一步的，所述高增益天线与超材料天线罩的间距为21~25mm。进一步的，所述阵列超材料板是印制有超材料单元的PCB板。进一步的，所述高增益天线为微带贴片天线。进一步的，所述微带贴片天线的工作频段为10GHz。本专利技术实施例的有益效果是，提出一种一体化可调制超材料天线罩和天线组件，采用由三层阵列超材料板叠加固定形成的超材料天线罩，并对应采用经过优化的10GHz微带贴片天线作为辐射源，通过调整超材料单元的结构参数及分布周期造成的相位梯度控制电磁波的透射与反射，在10GHz频段上具备良好的带内透射、带外阻止特性，实现了超材料天线罩的波束聚集功能以及10GHz频段的带内透射、带外阻止的屏蔽结构的小型化，并且有效降低了天线罩与辐射源之间的电磁耦合现象，增强了天线的发射强度，提高天线系统的整体效率，所得一体化可调制超材料天线罩和天线组件的主瓣波束向中心方向收缩，波束更加汇聚，增益达到9.572dBi，获得高效率透射，解决了现有飞行器内部采用无线通讯时电磁信号受舱内通讯设备干扰较大的问题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例一体化可调制超材料天线罩和天线组件的整体结构示意图。图2是本专利技术实施例一体化可调制超材料天线罩和天线组件的结构示意图。图3是本专利技术实施例的阵列超材料板的结构示意图。图4是本专利技术实施例的超材料单元的结构示意图。图5是本专利技术实施例的微带贴片天线的结构示意图。图6是本专利技术实施例的微带贴片天线的S参数图（仿真及测试）。图7是本专利技术实施例的一体化可调制超材料天线罩和天线组件在工作频率上的远场分布图。图8是本专利技术实施例的一体化可调制超材料天线罩和天线组件与传统微带贴片天线的S参数对比图。图9是本专利技术实施例的微带贴片天线的方向图。图10是本专利技术实施例的一体化可调制超材料天线罩和天线组件的方向图。图11是本专利技术实施例的一体化可调制超材料天线罩和天线组件远场方向图的仿真与测试结果。图12（a）是本专利技术实施例的三层零折射率阵列超材料板实物图。图12（b）是本专利技术实施例的10GHz的微带贴片天线实物图。图12（c）是本专利技术实施例的一体化可调制超材料天线罩和天线组件的实物图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例提供一种一体化可调制超材料天线罩和天线，如图1所示，包括高增益天线和超材料天线罩，所述超材料天线罩由三层阵列超材料板叠加固定形成，如图2所示，每个阵列超材料板是由N2个超材料单元从上到下、从左到右均匀排布在介质板上形成的N×N阵列超材料板，如图3所示，具体的，本专利技术实施例的阵列超材料板可以是印制有超材料单元的PCB板。经验证7×7阵列超材料板是可以实现功能的最小尺寸，因此本专利技术实施例中N≥7。与之对应的高增益天线是经过优化的10GHz微带贴片天线作为辐射源，超材料单元的结构设计决定了整个设计的工作频率即实现高透射性能的频段（10GHz），本专利技术实施例的超材料单元的结构如图4所示，为其由金属丝组成的两端向内折弯的工字型金属结构，其长度和宽度均为5mm，折弯长度为1.85mm。超材料单元的间距决定了透射性能，间距过大会降低超材料对非工作频段的隔离，间距过小则会降低透射率，超材料天线罩与微带贴片天线的间距决定了超材料天线罩的反射特性，两者的间距过大或过小影响天线的远场特性，使得微带贴片天线的效率和增益降低，本专利技术实施例相邻两超材料单元的间隙为0.4~0.6mm，辐射源即微带贴片天线与超材料天线罩的间距为21~25mm，实现了对2维X-Y平面上N2个超材料单元结构的调制，最终实现一体化天线系统对于不同频率电磁波透射和反射特性的控制。为了实现对微带贴片天线增益的提升，本专利技术实施例采用零折射率超材料板作为天线罩，因为零折射率超材料可以将斜入射的波变为平面波，从而实现天线辐射波束的汇聚。将3层零折射率超材料板置于微带贴片天线之上，经研究发现，当超材料天线罩与天线辐射源近距离并且同时工作时，两者之间的强电磁耦合效应会严重影响天线系统的工作频率、阻抗和效率，这严重影响了天线系统的稳定性，经过重新设计和系统优化，将超材料单元结构的间隙调整为0.4~0.6mm，辐射源即微带贴片天线与超材料天线罩的间距变为21~25mm时，超材料天线罩不再影响天线系统的性能，形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一体化可调制超材料天线罩和天线组件，其特征在于，包括高增益天线和超材料天线罩，超材料天线罩由三层阵列超材料板叠加固定形成，阵列超材料板由介质板和超材料单元组成，且超材料单元从上到下、从左到右均匀排布在介质板上形成N×N阵列，N≥7。/n

【技术特征摘要】
1.一体化可调制超材料天线罩和天线组件，其特征在于，包括高增益天线和超材料天线罩，超材料天线罩由三层阵列超材料板叠加固定形成，阵列超材料板由介质板和超材料单元组成，且超材料单元从上到下、从左到右均匀排布在介质板上形成N×N阵列，N≥7。


2.根据权利要求1所述的一体化可调制超材料天线罩和天线组件，其特征在于，所述阵列超材料板采用零折射率超材料板。


3.根据权利要求2所述的一体化可调制超材料天线罩和天线组件，其特征在于，所述超材料单元是两端向内折弯的工字型金属结构，其长度和宽度均为5mm，其折弯长度为1.85mm。


4.根据权利要求2所述的一体化可调制超材料天线罩和天线组件，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李谦，邱长泉，刘彦明，荣利霞，董果香，王医民，韩高，刘宇航，袁延荣，张政，李谨，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，北京临近空间飞行器系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61