CN104681919A - 用于浮空器的囊体装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于浮空器的囊体装置，包括：囊体；以及天线单元，该天线单元包括：超材料结构，该超材料结构与该囊体形成一体；反射结构，该反射结构与该蒙皮形成一体，其中该超材料结构位于该反射结构的外侧；以及馈源，该馈源设置在浮空器外部并朝该超材料结构定向。

Description

用于浮空器的囊体装置

技术领域

本发明涉及航空航天设备浮空器领域，尤其涉及用于浮空器的囊体装置。

背景技术

随着航空航天、导航制导等领域的科技水平的高速发展，对电子系统的体积、重量、性能的要求越来越高。由于雷达、导航设备等各种复杂电子设备的使用，现代飞行器采用了大量天线系统。

对于浮空气球、飞艇等浮空器而言，其用于通信的天线通常设置于浮空器的吊舱内。然而，对于浮空器而言，其载荷空间和载荷重量都是非常有限的，天线的设置无疑增加了其载荷设置难度；尤其对于平流层浮空器，需要在平流层长期停留，过重的载荷也会影响其在平流层停留时间。

因此，本领域亟需一种改进的用于浮空器的囊体装置。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种用于浮空器的囊体装置，包括：

囊体；以及 

天线单元，该天线单元包括：

超材料结构，该超材料结构与该囊体形成一体；

反射结构，该反射结构与该蒙皮形成一体，其中该超材料结构位于该反射结构的外侧；以及

馈源，该馈源设置在浮空器外部并朝该超材料结构定向。

在一实例中，该反射结构包括形成在该囊体内的金属膜，该超材料结构包括形成在该囊体内或囊体外表面的至少一层的人造微结构。

在一实例中，该囊体包括由外至内依次层叠设置的防护层、气密层、载荷承力层，将上述多层相互粘结的黏结层，以及设置于载荷承力层表面的焊接层。

在一实例中，该人造微结构设置于防护层、气密层或载荷承力层的外侧表面。

在一实例中，该反射结构设置于该防护层、气密层或载荷承力层的内侧表面。

在一实例中，该人造微结构由导电材料构成。

在一实例中，该人造微结构通过蚀刻、电镀、雕刻、蒸镀、溅射、丝印、钻刻、光刻、电子刻或离子刻工艺进行附着。

在一实例中，该超材料结构包括多层的人造微结构及该多层的人造微结构之间的基板，该多层的人造微结构和基板通过热压工艺层叠在一起。

在一实例中，该载荷承力层为芳纶纤维、涤纶纤维或PBO。

在一实例中，该气密层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氯乙烯或乙烯-乙烯醇共聚物。

在一实例中，该防护层为聚氟乙烯膜或含氧化锌的热塑性聚氨酯。

在一实例中，该焊接层的材料为聚酯类、聚醚类或聚氨酯类黏结剂。

在一实例中，该馈源通过碳纤维馈源支杆或充气式气囊馈源支杆固定在该囊体外部以朝该超材料结构定向。

根据本发明的用于浮空器的囊体装置，天线能够与浮空器、特别是类似浮空气球、气艇等具有可变表面形状的浮空器的蒙皮的完美共形，提供了极佳的空气动力学性能和电磁性能。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是示出了常规的超材料平板反射天线的结构图；

图2是示出了根据本发明的一方面的反射式超材料天线的原理图；

图3是示出了根据本发明的一方面的具有图2的反射式超材料天线的囊体装置的结构图。

图4是示出了图3中的囊体装置的多层结构的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

超材料由介质基板和设置在基板上的人造微结构组成，可以提供各种普通材料不具有的特性。人造微结构在大小1/5到1/10个波长的尺度下，对外加电场和磁场具有电响应和磁响应，从而表现出等效介电常数和等效磁导率。而且，人造微结构的等效介电常数和等效磁导率可通过设计人造微结构的几何尺寸参数来人为地控制。例如，通过设计每个导电微结构的图案和/或尺寸并将导电微结构按一定规律排布，使得材料整体的电磁参数呈一定规律排布。规律排布的电磁参数使得超材料对电磁波具有宏观上的响应，例如，汇聚电磁波、发散电磁波、吸收电磁波等。从而，可以根据需要设计出具有期望辐射特性的超材料天线。实践中，一般根据天线的空间辐射特性，计算出超材料天线上每个位置处所需要的电磁参数，进而通过仿真软件反向计算出该处导电微结构的几何参数。

图1示出了一种常规的超材料平板反射天线100的结构图。如图1所示，该超材料平板反射特性100主要包括超材料天线面、金属反射面以及馈源三部分。馈源作为天线的能量源，用作天线的初级辐射器，向超材料天线面提供电磁波照射。常规的，馈源120可由馈源喇叭、移相器、圆矩变换器等组成。电磁波穿过超材料天线面之后，经金属反射面反射，在透过超材料天线面发射出去实现电磁波的汇聚。

超材料天线面包括基板和位于基板的微结构。如超材料技术领域的人员所知的，这里的微结构可以是一系列的导电几何结构，这些导电几何结构的大小 在1/5到1/10个波长的尺度。根据超材料结构所需要呈现的电磁特性，来设计这些导电几何结构的形状并使其按特定规律排布。

通过计算指定位置处的初级馈源空间辐射特性，可以获得超材料天线面在馈源入射时各位置处的电磁波相对相位分布Phi-in(X_i,Z_i)，坐标(X_i,Z_i)代表超材料天线面上任意一点位置的坐标，其中超材料结构110所在平面为X-Z平面。根据反射后所需要的电磁波传播方向，可以计算出超材料天线面各位置处出射时的电磁波相对相位分布Phi-out(X_i,Z_i)。由此可计算出超材料天线面上每一位置处的相位差Delta-Phi(X_i,Z_i)＝Phi-out(X_i,Z_i)－Phi-in(X_i,Z_i)。根据该相位差，可以计算出超材料天线面上每一位置处所需的电磁参数。进而通过CST Microwave Studio等计算软件可以反向计算出在各位置处的微结构。此为超材料天线设计的一般性步骤，在此不再赘述。

平面的设计能够有效地解决抛物面天线无法共形、折叠的问题。但平面形态无法在具备弧形表面的气球、飞艇等设备中取得共形效果，需要额外设计搭载平台，不利于一体化设计。

图2是示出了根据本发明的一方面的发射式超材料天线200的原理图。如图2所示，该反射式超材料天线200可包括超材料结构210、反射结构220、以及馈源230。浮空器的外表面通常呈曲面而非平面，例如气球、飞艇等简易浮空器的外表面往往呈弧形。为了能够与这些浮空器的表面共形，超材料结构210和反射结构220也被设计成非平面，例如图2所示的曲面形状。

与平面设计不同，为达到相同的平面波出射效果，这种曲面天线需要在超材料结构210面上任意位置处计算前后光程差值和相位差。以图中考察点A为例，电磁波由馈源230经超材料结构210面考察点A达到参考面过程中经历的总路程为L(X,Z)＝L-in(X,Y,Z)+L-out(X,Y,Z)，该数值在超材料结构210曲面上每一点处各不相同，即相位延迟不同。为了电磁波汇聚为平面波，需要考虑该相位延迟。因此，在超材料结构210曲面上取以固定点作为参考，其余每一处具有不同相位延迟能力，使得经调整后的电磁波通过任意路径到达参考面后都具备相同的相位延迟，形成平面波。根据超材料结构210曲面上各点的相位延迟能力，可以计算出超材料结构210曲面上每一位置处所需的电磁参数。同样地，再通过CST Microwave Studio等计算软件可以反向计算出在各 位置处的微结构。

图3是示出了根据本发明的一方面的具有反射式超材料天线200的囊体装置300的结构图。囊体装置300包括囊体310及透射式超材料天线200。该囊体310内装载气体形成以形成气囊结构，本实施中，该囊体为圆球体形状。囊体310内所装载的气体为同等气压下密度比小于空气的气体，一般为氦气。本实施例中，该囊体310为临近空间浮空器的囊体，该囊体310进入空间如临近空间后，其直径范围为10-50米，优选为20-45米。可以理解的是，本实施例的囊体310的形状也可以为南瓜形或水滴状等其他母线为弧形的轴对称体，并不以本实施例为限。当然，该囊体310也可以飞艇状囊体。

本实施例中，该超材料天线200的超材料结构210与囊体310共形。然而，浮空器可具有任何表面形状。特别地，该球形浮空器具有柔性的囊体310，在未充气的状态下，该球形浮空器的囊体310可以折叠，而在充气状态下，该球形浮空器的囊体被撑开，以呈预定的形状如本实施例的球形。

请进一步参阅图4，该超材料结构210与囊体310的共形方式具体说明如下：

该囊体310包括由外至内依次层叠设置的防护层311、气密层312、载荷承力层313，将上述多层相互粘结的黏结层314，以及设置于载荷承力层313表面的焊接层315，即防护层311和焊接层315分别位于囊体310的外侧和内侧。本实施例中，该超材料结构210设置于防护层311与气密层312之间，即人造微结构212形成于防护层311的内侧表面或气密层312的外侧表面，该反射结构220设置于所述气密层312与所述载荷承力层313之间，馈源230设置于该囊体310外侧且与该人造微结构212相对。此时，该气密层312同时作为超材料结构210的基板。

该载荷承力层313为纤维材料，如芳纶纤维、涤纶纤维或PBO(聚对苯撑苯并二噁唑纤维(Poly-p-phenylene benzobisoxazole))等。该气密层312用于隔离气体，其可以是一个隔气涂层或一层隔气薄膜，隔气薄膜可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏二氯乙烯(PVDC)或乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)。该防护层311设置在囊体310的外层，用于防紫外线辐射，该防护层可以为聚氟乙烯(PVF)膜(Tedlar)或含氧化锌的热塑性聚氨酯。该黏结层314是结 合囊体310各材料层间的媒介体，其把载荷承力层313、气密层312和防护层311之间都牢固地黏合为一整体，一般使用的多为聚酯类、聚醚类或聚氨酯类黏结剂，焊接层315的材料也可以为聚酯类、聚醚类或聚氨酯类黏结剂等，其与黏结层314可以相同也可以不同。所述反射结构220为金属薄膜，如通过电镀等方式形成的铝膜等。

可以理解的是，该人造微结构212也可以形成于载荷承力层313或防护层311的外表面，将载荷承力层313或防护层311作为超材料结构210的基板，即人造微结构212设置于囊体310的多层结构的外部或内部均可。该反射结构220相应也可以设置于载荷承力层313的内表面或防护层311的内表面，只要人造微结构212位于馈源230与反射结构220之间即可。由于人造微结构212和反射结构220的厚度比较薄，对于囊体310的性能和制作并无影响，只需在囊体310的制作步骤中增加形成人造微结构的工艺步骤即可。

人造微结构212可被设计成具有特定的几何参数，包括形状、大小、排列分布等等，这些几何参数是基于该基板的面上各点处的所需电参数，通过仿真软件反向计算得出的。实践中，人造微结构212可以由导电材料构成，并且可通过蚀刻、电镀、雕刻、蒸镀、溅射、丝印、钻刻、光刻、电子刻或离子刻工艺附着在囊体310对应的层上。由于人造微结构212的特征尺寸在几分之一波长的尺度上，因此，形成的人造微结构212在宏观上也是柔性可变形的，从而整个超材料结构210能够良好地与囊体310共形在一起。

为了清楚起见，在图3中超材料结构210被示为仅具有一层微结构，然而超材料结构210可具有多层微结构，每一层具有相应的柔性基板和基板上的人造微结构，这多层人造微结构可以通过热压工艺层叠在一起。

馈源230可通过馈源支杆231固定在浮空器的外部以朝着超材料结构322定向。较优地，该馈源支杆231可以是轻质的碳纤维馈源支杆，或者更优的可以是充气式气囊馈源支杆。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范 围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (13)

1.一种用于浮空器的囊体装置，包括：

囊体；以及

天线单元，所述天线单元包括：

超材料结构，所述超材料结构与所述囊体形成一体；

反射结构，所述反射结构与所述蒙皮形成一体，其中所述超材料结构位于所述反射结构的外侧；以及

馈源，所述馈源设置在浮空器外部并朝所述超材料结构定向。

2.如权利要求1所述的囊体装置，其特征在于，所述反射结构包括形成在所述囊体内的金属膜，所述超材料结构包括形成在所述囊体内或囊体外表面的至少一层的人造微结构。

3.如权利要求2所述的囊体装置，其特征在于，所述囊体包括由外至内依次层叠设置的防护层、气密层、载荷承力层，将这些层相互粘结的黏结层，以及设置于载荷承力层表面的焊接层。

4.如权利要求3所述的囊体装置，其特征在于，所述人造微结构设置于防护层、气密层或载荷承力层的外侧表面。

5.如权利要求3所述的囊体装置，其特征在于，所述反射结构设置于所述防护层、气密层或载荷承力层的内侧表面。

6.如权利要求2所述的囊体装置，其特征在于，所述人造微结构由导电材料构成。

7.如权利要求6所述的囊体装置，其特征在于，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、雕刻、蒸镀、溅射、丝印、钻刻、光刻、电子刻或离子刻工艺进行附着。

8.如权利要求2所述的囊体装置，其特征在于，所述超材料结构包括多层的人造微结构及所述多层的人造微结构之间的基板，所述多层的人造微结构和基板通过热压工艺层叠在一起。

9.如权利要求3所述的囊体装置，其特征在于，所述载荷承力层为芳纶纤维、涤纶纤维或PBO。

10.如权利要求3所述的囊体装置，其特征在于，所述气密层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氯乙烯或乙烯-乙烯醇共聚物。

11.如权利要求3所述的囊体装置，其特征在于，所述防护层为聚氟乙烯膜或含氧化锌的热塑性聚氨酯。

12.如权利要求3所述的囊体装置，其特征在于，所述焊接层的材料为聚酯类、聚醚类或聚氨酯类黏结剂。

13.如权利要求1所述的囊体装置，其特征在于，所述馈源通过碳纤维馈源支杆或充气式气囊馈源支杆固定在所述囊体外部以朝所述超材料结构定向。