CN104685709A - 天线解耦装置,尤其是安装在航空器上的贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高阻抗无源装置(11)，其使得对至少部分地在共同频带下运行的两个天线(17,18)进行无线电解耦成为可能，并且其被布置在支持结构的表面(19)上。所述装置的特征在于，其包括基片(15)，所述基片(15)由给定厚度e的柔性介电材料层构成，在所述介电材料层的表面上布置有展示出给定几何形状和给定布置的导电材料制成的贴片(13)，以及确保其固定在结构表面(19)上的地平面的机构(16)，以使由贴片(13)构成的层与结构的表面(19)被所述基片的主体分开。基于贴片(13)的尺寸、数目和布置，并且基于在所述装置上施加的空气动力学限制来确定所述基片的厚度e，所述装置的阻抗在有问题的频带中产生期望的解耦。

Description

天线解耦装置,尤其是安装在航空器上的贴片天线

发明领域

本发明涉及天线的一般领域。本发明更具体地涉及位置靠近的天线之间的解耦问题。本发明尤其但非排他性地适用于安装在航空器的机身上的贴片天线的解耦。

发明背景-现有技术

安装在航空器上的某些电磁系统如无线电测高仪系统，由通常在相同频带下运行的两个天线即发射天线和接收天线组成。因此为了避免这两个天线之间的直接耦合，该耦合非常显著地干扰了该系统的运行，人们试图优化这些天线的各自的布局。人们因而试图尽可能远离地放置两个天线以便限制该耦合，而同时保持与整体运行以及安装约束条件(机械约束条件、电缆的长度和路线、可获得性等)相兼容的距离。

因此，例如，在安装在航空器上的无线电测高仪的具体情况下，现行的标准要求两个天线间隔开最少距离约70cm。

然而，除了这样的分离约束条件在航空器的情况下是难以满足的这一事实外，考虑到在航空器上的天线数，在机身上可获得的空间在本质上是有限的，对于给定航空器而言，在某些条件下的应用中，该空间可能显示出不足以确保对于测高仪的正确运行所必需的解耦。

现在，增加该距离通常证明是复杂的，特别是在由此造成的天线位置的改变必须在已经服役的航空器上实现的情况下，对该航空器而言通常未考虑到必须改变某些设备项目如天线的位置的可能性。

在航空电磁设备领域中，最常用来避免耦合发生的影响的解决方案，在某些特别情况下，是提供系统的冗余。通过比较由每个系统给出的测量来检测可能由于假耦合(spurious coupling)而出现的测量误差。这样的解决方案使得制造商增加了安装在航空器上的设备数量并因此显著增加了后者的重量，然而目前的趋势是尝试减轻航空器的重量，以便特别是降低它们的燃料消耗。这也导致安置和维护成本的增加。

用于增强位置靠近并在相同频带下运行的两个天线之间的解耦的已知解决方案是，在两个天线之间插入在所考虑的频带中展示出高阻抗的装置。

特别是在贴片型天线的情况下，高阻抗装置采取具有小厚度的、由介电基片组成的平面元件的形式，该介电基片在一面上配置由导电材料制成的贴片，而另一面由充当接地平面的导电平面覆盖。贴片的尺寸和形状以及它们的布置主要取决于频率和所希望的解耦。这样的元件通常被描述为基于超表面(metasurface)或超材料(metamaterial)的结构。

一般而言，对于包括在相同频带下运行的两个天线的给定系统，当所担心的是天线之间的直接耦合的问题时，已知的是开发一种同时将天线与推测有利于它们解耦的高阻抗表面组合在一起的结构。例如，构成天线的贴片和在这两个贴片之间形成高阻抗表面的贴片的布置是在同一操作下、在同一基片上制备的。如此获得了具有印刷电路的形式并包含辐射元件和解耦装置的紧凑系统。

然而，可以在事后通过在单独的印刷电路上制备高阻抗装置和通过将该电路布置在构成天线的两个印刷电路之间来开发两个贴片天线的解耦。

关于改进在航空器机身的外表面上配置的贴片天线的解耦，人们被引导尝试使用以上描述的解决方案，即在耦合区中，在两个天线之间插入构成高阻抗表面的印刷电路。

然而，使用该类装置例如目前制备的这些，带来了显著的技术问题。

实际上，目前开发的装置具有相对刚性的结构，这非常不利于它们在展示出曲线的表面例如航空器机身的外表面上的安装，该装置表面几乎不符合其被放上的表面的轮廓，尤其是当该装置展示出很大的表面积时。

相应地，即使用来制备构成高阻抗结构的印刷电路的基片展示出一些弹性，但后者是有限的，并且维持该装置表面与机身表面紧密接触要求使用强大的固定机构，该固定机构是在高阻抗装置的各个点处，通常在所述装置的周边处配置的并且其通常需要对于该结构本身的干预。

另外，当该装置表面或多或少不完全地符合机身表面时，在机身表面上配置这样的装置产生了不利的空气动力学干扰，即使该装置的厚度相当小。

发明内容

本发明的目的在于提出一种简单的装置，该装置能够改进天线之间的解耦，特别是对于使用在相同频带下运行的几个贴片天线的无线电设备。

本发明的另一个目的是提出一种装置，该装置生产简单并能够用于使新航空器配备适度解耦的天线以及用简单的方式完成已经服役的航空器的升级以便改进已经安装在机身上的天线的解耦。

换言之，本发明的一个目的是针对在未必是平面的载体结构例如航空器机身的表面上彼此邻近放置的两个天线之间可能存在的耦合问题，提出一种既有效又易实施的解决方案，该解决方案可以在相关设备的安装过程中应用在有问题的结构上，或者可以应用于意图改进该设备的维护操作过程中。

为了该目的，本发明的主题是高阻抗无源装置，该装置尤其可以实现设置在载体结构的表面上的、至少部分地在共同频带下运行的两个天线之间的无线电解耦。根据本发明，该装置包括基片，该基片由给定厚度e的柔性介电材料层组成，在该介电材料层的表面上配置有展示出给定几何形状和给定配置的导电材料制成的贴片以及用于在该结构表面上以这样的方式确保其固定在结构表面上的地平面(ground plane)的机构，以使由贴片形成的层与该结构的表面被基片的厚度分开；基片的厚度e作为贴片的几何形状、数目和配置以及在该装置上施加的空气动力学限制的函数来确定，后者展示出的阻抗在所考虑的频带中产生期望的解耦。

在一种具体的实施方式中，本发明的装置包括：

-形成地平面的给定厚度和给定表面积的导电材料薄片；

-由导电材料制成的多个贴片，所述多个贴片是间隔开的，并以距所述导电材料薄片给定的距离放置在与所述导电材料薄片相对的平面上；

-配置在导电材料薄片和贴片之间的给定厚度的介电材料基片，在贴片与所述贴片对面的导电材料薄片的表面之间的介电材料的厚度e使得这些贴片保持在关于所述薄片的期望的距离上；

-用于确保该装置固定到该结构表面的机构，所述固定是使导电薄片的面与所述表面相对来进行的。

在考虑到外部限制的同时，确定基片的厚度e以及贴片的几何形状、数量和配置，以便获得所期望的解耦值。

于是，本发明的装置包括整合到其自身结构中的地平面并借助该地平面将其固定到载体结构的表面。

在另一个具体实施方式中，其上固定本发明装置的地平面由该结构自身所构成。

根据多个变形的实施方式，本发明的装置可以展示出可任选地组合的以下特性。

因此，根据本发明装置的一个实施方式，基片的介电材料是弹性体类型的柔性材料，该柔性材料能够适应其上安装该装置的结构的表面形状。

根据一个具体特性，所用的介电材料是聚氯丁烯。

根据本发明的装置的另一个实施方式，贴片是通过导体或通路(vias)电连接到所述导电材料薄片的。

根据另一个实施方式，用于确保该装置固定到该结构表面的机构由粘合材料层组成，所述粘合材料层配置在导电薄片面向所述载体结构的表面的面上或者配置在该装置预期固定到该同一表面的那个面上。

根据另一个实施方式，以这样的方式限定形成基片的材料的电容率、分开所述导电薄片的贴片的基片厚度e以及贴片的尺寸和它们的布置，以使该装置在所考虑的频带中展示出所希望的阻抗，并且其厚度小得足以将该装置的安装对于该结构的空气动力学特性的影响限制到最小限度。

根据另一个实施方式，基片层覆盖了贴片的平面，以确保对该装置的自由表面，换言之，携带贴片的面的机械和/或化学保护，和特别对于侵蚀的防护。

根据另一个实施方式，该装置的外表面被纯介电涂层覆盖。

附图说明

借助由附图支持的以下描述将更好地领会本发明的特征和优点，所述附图为：

-图1，从其外面观察到的本发明装置的第一个实施方式的图示；

-图2，图1的实施方式中本发明装置在A-A截面的图示；

-图3，本发明装置在航空器上的示例性应用的图示；

-图4，在第二个实施方式中本发明装置在A-A截面的剖视图；

-图5，在第三个实施方式中本发明装置在A-A截面的剖视图。

详述

在以下描述中，借助非限制性实施例来展示本发明的具体实施方式，所述具体实施方式非常适合于制备预期用于限制放在航空器外壁上的两个天线之间的耦合的装置。然而，非常明显的是由于其实施的简单，这样的装置可以用来改进放在任何的壁上，交通工具的外壁或固定结构的壁上的天线的解耦，即使存在对于这样的设备尤其是就空气动力学而言较低程度的要求。

在图1和2所示的第一个实施方式中，当本发明的装置放在平面上时，其采取扁平元件11的形式，该扁平元件11展示出形成地平面的导电面12，在导电面12之上放置导电贴片13。根据优选的规则布置，这些贴片13优选地布置在同一平面上，例如图1所示的矩阵布置。导电面与其上设置贴片的平面之间的空间被嵌入介电基片15。

根据本实施方式的具体形式，导电贴片13借助连接链接或通道14来连接到导电面12。供选择地，导电贴片13可以与导电面12绝缘。根据所考虑的形式，导电面与贴片平面之间的距离当然是不同的。

另外，以这样的方式确定贴片13的尺寸和安装间隔以及将贴片的表面与导电面12分开的基片的厚度，以使如此形成的结构展示出针对所考虑的频带的高阻抗，该频带对应于期望加强解耦的天线17和18的运行频带。

根据本发明，这些参数的确定可以以任意无论什么的已知方式进行，例如借助无线电电路设计软件。

在针对放在航空器壁的外表面上的天线的解耦来应用该装置的情况下，该情况对应于本文所述的实施例，但是尽可能小地选择厚度e，从而不会通过将该装置在该壁上放置就位而产生空气动力学湍流。

有利地，用来制备本发明高阻抗装置的基片由柔性材料构成，该柔性材料特别是因其介电和机械特性(弹性、耐侵蚀性等)而选择的弹性体材料，例如聚氯丁烯。随后，本发明装置的制备是通过整合在基片15一个面上的导电贴片13如金属贴片和在另一面上的导电层12如精炼金属薄片，然后通过将贴片13经由基片15电连接(将通道放置就位)到导电层12来实现的。在其中贴片和导电层是金属元件的情况下，通过正好钻孔穿过基片15在贴片13的水平上并通过用金属钎料(brazing metal)填充所产生的钻孔来制备电连接14。

在尤其适合于制备预期安装在航空器机身上的高阻抗装置的一个具体实施方式中，贴片13的表面被限制其侵蚀的涂层覆盖。该涂层可以包括弹性材料的上层，该材料通常构成了基片，正如在图2所示的示例性实施方式中。其还包括展示出期望的介电特性的漆层。

由于其柔性和弹性结构，如此制备的装置11有利地是能够放在未必是平面的表面上的，该装置承受在所述表面上的面，即通常携带导电层12的面，能够自然而然地调整其形状，以便适应所考虑的表面轮廓。相应地，在使基片15经受最少约束条件的同时实现的该装置的固定以及其在该表面上的调节，有利地关于包括刚性基片的装置而言变得更容易。本发明装置可以因此通过任意固定机构而被设置并保持就位，与表面19接触。

优选地，通过简单的胶合将本发明的装置固定到所考虑的表面。针对该目的，上述结构可以有利地补充有粘合材料层16，例如丙烯酸胶膜，该粘合材料层16覆盖了该装置的面(其以该方式停留在该结构上)，也就是说，在所考虑的实施方式的情况下，通常承载导电层12的基片15的面。

图3展示出本发明装置的示例性应用，以产生形成无线电测高仪的天线的解耦，该无线电测高仪即如图3所示，通常成对的一项设备。

从功能性观点出发，本发明装置放在将所考虑的无线电测高仪的两个天线17和18分开的机身区域31或32上。出于功能性原因，这些天线处于机身下面、在机身的壁19通常不是平面的位置处，以使基片15的柔性、可变形的特性在此表现为特别有利的。

如图3的放大图3b所示，该装置随后借助粘合膜16通过简单的胶合来固定就位。

在该示例性应用中所领会的是，当机身经受显著的气流时，并且该气流的流动性与航空器的空气动力学性质相关，重要的是通过在天线17和18之间将本发明的装置放置就位来产生该气流的尽可能少的干扰。

相应地，以这样的方式来确定基片15的厚度，以使装置11的厚度基本上与装置11被放置其间的贴片天线17和18的厚度相同。随后确定贴片13的形状和尺寸，以便在考虑到基片15的厚度和其介电特性的情况下最大化该装置的阻抗。

因此，例如，为了产生其工作频率约4.3GHz的无线电测高仪的天线的解耦，并考虑到空气动力学限制，本发明装置11，例如图1所示的，可以展示出以下结构和尺寸特性：

-由厚度等于3.175mm和相对电容率等于3.5的聚氯丁烯制成的基片；

-预期与机身接触的基片下表面的金属化；

-在基片的相对面上安装15_*19个尺寸16.085mm_*16.085mm的正方形金属贴片的矩阵阵列；

-该阵列的贴片的周期性在两个方向上都等于20.25mm；

-通过半径等于0.7221mm的金属通道将贴片连接到金属平面。

使用其固定可以通过简单的胶合来进行的、具有柔性结构的装置，特别是在该示例性实施方式中代表了一种真正有利的简单的解决方案，该解决方案特别是使得该装置在制造后被安装在已经服役的航空器机身上时可以简化安装该装置所必需的操作，并可以不需要可能破坏该平台的结构完整性的对机身的改造，也可以不需要任何应用检查该完整性的操作。现在也没有必要提供涂料或其它类型的任何保护涂层以限制可能施加在更加刚性的形式的结构上的空气动力学限制。然而，为了产生贴片的机械保护，例如可以用由相同基片组成的覆盖层来覆盖携带贴片的基片表面，由此得到其中包含贴片的均匀的结构。

图1至3所示的实施方式对应于特别的制备形式，其主要优点是它能够安装在导体或非导体的任何类型的载体上。具有整合到该装置的地平面12这一事实的确使得在不损害其解耦特性的前提下可将该装置安装在任何载体上。

另外，这样的实施方式使得可以具有展示出电感性和电容性阻抗的导电元件即贴片，阻抗的电感性组成是由于存在将每个贴片13连接到地平面12的通道14，其由整合到该装置中的导电材料薄片制成。

然而，可以考虑为本发明装置提供了容易安装在现有结构上和就解耦和空气动力学干扰二者而言均有效的有利特性的其它更简单的实施方式。在此本发明的基本特性是该装置的可延展性(malleability)和其易于适应其被固定在上面的表面的轮廓的倾向，以使其实际上的固定并不需要实施可能以任何无论什么的方式损害所考虑的结构表面的任何机构，简单的粘合层是足够的。

因此，可以考虑这样的实施方式，其中贴片13是关于由金属薄片构成的地平面12浮动地安装的，将贴片连接到地平面的通道则是不存在于该结构的，另外后者保持与先前的实施方式相同。

将贴片13连接到地平面12的通道的不存在具有的唯一作用是如此获得装置的阻抗基本上是电容性的，另外解耦能够具有与先前的实施方式相同的值。这样的实施方式在图4中示出。

供选择地，也可以考虑特别是更适合于放置在其自身形成地平面的载体上的实施方式。所描述的第一个实施方式中的金属薄片12所确保的“地平面”功能则可以直接通过载体来确保，以使所述薄片消失。

这样的实施方式因此是特别适合于在航空器机身的表面19上放置就位的，该表面19通常是金属表面19或者由复合材料制造的表面，该复合材料整合了金属保护以符合“电气”要求如防雷或其它电气持续性的维护。航空器的表面则构成了地平面，在该地平面上该装置固定在该结构上。

该装置的结构随后简单地安装到表面上、整合到基片层的厚度中，并由如上述那些的贴片构成。图5示出了这样的实施方式。

该实施方式展示出的优点是获得了由其中合并了贴片的基片层构成的非常均匀的装置，并且该装置因此更加耐磨损，而无需放置就位互补性的保护涂层。所获得装置另外展示出的优点是更加易于借助粘合剂固定在所考虑的载体上，只要该装置的较低面(lower face)是基片直接与粘附膜16接触的表面并且不是金属薄片。这样的实施方式因此是完美地用于实现将如图3所示的额外的解耦元件放置就位的操作。

如从以上描述中显现的，本发明装置的主要优点更一般地说在于这样的事实，就是说，将其在现有的结构上放置就位以便改进彼此邻近地、在该结构上安装的两个天线的解耦，实际上既不需要对于该结构自身也不需要对于所关注的天线的介入。另外，该装置的柔性和单块结构使其可以有利地安装在平面或非平面的任何载体轮廓上，该装置在所考虑的载体上的固定能够通过简单的胶合例如借助粘附膜来实现，尽管该装置可能经受的空气动力学限制，当其特别是安装在航空器机身的表面上时。

因此实施这样的解决方案的成本和复杂性是有利的低，该解决方案的实施不限于复杂和易毁坏的结构如航空器机身，而是可以考虑用于各种结构。

Claims (9)

1.一种高阻抗无源装置(11)，其用于实现设置在载体结构的表面(19)上的、至少部分地在共同频带下运行的两个天线(17,18)之间的给定的无线电解耦，其特征在于，其包括基片(15)，所述基片(15)由给定厚度e的柔性介电材料层构成，在所述介电材料层的表面上配置有展示出给定几何形状和给定配置的导电材料制成的贴片(13)以及用于在该结构表面(19)上以这样的方式确保其固定在结构表面上的地平面的机构(16)，以使由贴片(13)形成的层与载体结构的表面(19)被所述基片的厚度分开；所述基片的厚度e作为贴片(13)的几何形状、数目和配置以及在所述装置上施加的空气动力学限制的函数来确定，所述装置展示出的阻抗在所考虑的频带中产生期望的解耦。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基片(15)的介电材料是弹性体型的柔性材料，所述柔性材料能适应安装所述装置的所述结构的表面(19)的形状。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所使用的介电材料是聚氯丁烯。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，固定所述装置的所述地平面由固定所述装置的所述载体结构构成。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，固定所述装置的地平面由放置在所述装置与所述结构的表面(19)接触面上的给定厚度的导电材料薄片(12)构成。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述贴片(13)通过导体(14)或通道电连接到所述导电材料薄片(12)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，用于确保所述装置固定到所述结构表面(19)的机构(16)由粘合材料层构成，所述粘合材料层配置在所述装置与所述结构的表面(19)接触的面上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，贴片(13)的平面被基片层(15)覆盖，以确保对所述装置的自由表面的机械保护。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，其外表面被纯介电涂层覆盖。