CN104934717A - 频选蒙皮、天线罩及天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种频选蒙皮、天线罩及天线系统。其中，频选蒙皮包括：多层基板以及设置在所述基板的上、和/或下表面的导电几何结构层，每层所述导电几何结构层上设置有一个或多个连通的导电几何结构或不连通的导电几何结构。本发明提供的频选蒙皮一方面保证了特定工作频段内的高透波，另一方面对工作频段外的信号起到了过滤的作用，为天线的正常工作提供更优的保护环境。

Description

频选蒙皮、天线罩及天线系统

技术领域

本发明涉及透波材料领域，特别地，涉及一种频选蒙皮。此外，本发明还涉及一种天线罩和天线系统。

背景技术

现有天线罩大多采用玻璃钢等纯材料。这种材料能够对天线起到支撑保护作用，然而，采用这种材料的天线罩的透波频带较小，通带外下降非常平缓，并存在带外寄生通带，使带外抑制不可控，对装备的隐身性能是极大的挑战。虽然利用半波长或四分之一波长理论，对应于不同的天线频率，改变纯材料的厚度，可以影响电磁波的透波性。但是这样做，一方面可能会在波长过长时导致天线罩过厚，增加了天线罩的重量，这将不利于增加飞机的巡航能力；另一方面，纯材料的透波性能比较均一，工作频段内透波，其相邻频段透波效果亦优，工作频率外的透波容易干扰天线的正常工作。

发明内容

本发明目的在于提供一种频选蒙皮、及具有该蒙皮的天线罩和天线系统，以解决现有天线罩和天线系统滤波性能差的技术问题。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种频选蒙皮，包括多层基板以及设置在基板的上、和/或下表面的导电几何结构层，每层导电几何结构层上设置有一个或多个连通的导电几何结构或不连通的导电几何结构；

其中基板和导电几何结构使得频选蒙皮具有这样的介电常数和磁导率：使得电磁波在通过该频选蒙皮时，在工作频段内高透波，工作频段外被截止。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种天线罩，包括：支撑层；频选蒙皮，设置在支撑层的外表面，其中，频选蒙皮为上述的频选蒙皮。

根据本发明的又一个方面，还提供了一种天线系统，包括：天线和罩设在天线上的天线罩，天线罩为上述天线罩。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种频选蒙皮及具有该蒙皮的天线罩，该频选蒙皮包括：多层基板以及设置在所述基板的上、和/或下表面的导电几何结构层，每层所述导电几何结构层上设置有一个或多个连通的导电几何结构或不连通的导电几何结构。本发明提供的频选蒙皮采用多层基板，并在每层基板的上表面和/或下表面设置导电几何结构层，每层导电几何结构层上设置有一个或多个连通的导电几何结构或不连通的导电几何结构，一方面保证了特定工作频段内的高透波，另一方面对工作频段外的信号起到了过滤的作用，为天线的正常工作提供更优的保护环境。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的频选蒙皮的剖面结构示意图；

图2是本发明优选实施例的第一导电几何结构层附着在第二基板上的示意图；

图3是本发明优选实施例的第一导电几何结构的示意图；

图4是本发明优选实施例的第二导电几何结构层附着在第三基板上的示意图；

图5是本发明优选实施例的第三导电几何结构层附着在第五基板上的示意图；

图6是本发明优选实施例的第三导电几何结构的示意图；

图7是本发明优选实施例的天线罩的剖面结构示意图；以及

图8是本发明优选实施例的天线罩的透波率仿真分析结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

根据本发明的一个方面，提供了一种频选蒙皮，图1是本发明优选实施例的频选蒙皮的剖面结构示意图。如图1所示，该频选蒙皮包括多层基板，优先的，基板的层数为2至6层。如第一基板11、第二基板13、第三基板15、第四基板17、第五基板19以及第六基板21，该频选蒙皮还包括设置在基板的上表面和下表面，或者仅设置在上表面、仅设置在下表面的导电几何结构层，例如设置在第一基板11的下表面与第二基板13的上表面之间的第一导电几何结构层12、设置在第三基板15的上表面与第二基板13下表面之间的第二导电几何结构层14、设置在第四基板17的上表面与第三基板15的下表面之间的第三导电几何结构层16、设置在第五基板19的上表面与第四基板17的下表面之间的第二导电几何结构层14以及设置在第六基板21的上表面与第五基板19的下表面之间的第一导电几何结构层12（用数字对各几何结构层和基板进行命名，是为了对各导电几何结构层和基板进行区分，便于表述）。每层导电几何结构层上设置均有一个或多个相互连通的导电几何结构或者相互之间不连通的导电几何结构。导电几何结构置于基板表面或夹层中，可对电磁波起到调节作用，根据作用于的材料的不同，以及导电几何结构的尺寸的不同，可吸收电磁波，或是使电磁波的传播方向发生偏折，甚至反射。在其他实施例中，基板的层数可以为3层或者4层。

每层基板具有一定的机械强度，能够起到一定的支撑保护的作用。基板可以为复合材料基板或陶瓷基板。其中，复合材料可以是热固性材料，也可以是热塑性材料。复合材料为包含纤维、泡沫和/或蜂窝的一层或者多层结构。复合材料含有增强材料，该增强材料为纤维、织物或者粒子中的至少一种。一般来说，介质层的介电常数ε应该满足：1≤ε≤5。

根据实施时的具体情况，导电几何结构的厚度可以为1至50微米。优选地，导电几何结构的厚度为10至30微米。更加优选地，导电几何结构的厚度可以为16至20微米。导电几何结构的宽度为2至6毫米。导电几何结构的线宽为20至1000微米；优选的，导电几何结构的线宽为50至500微米；更加优选的，导电几何结构的线宽为100至200微米。

每层基板都具有一定的机械强度，将该频选蒙皮应用于天线罩时，能够起到一定的保护作用，不同尺寸的导电几何结构能够对天线的电磁波起到高通频选作用，提高了天线罩对工作频段外的电磁波的抑制效果，尤其是提高了天线工作频率外的低频段的电磁波的抑制特性。

每层导电几何结构层上设置的导电几何结构可以为金属导电几何结构，也可以使用任何导电的非金属材料制成，如碳纳米管、掺铝氧化锌、铟锡氧化物。金属导电几何结构采用以下任一种或者几种组合金属材料：固体金属材料、液体金属材料、流体状金属材料和粉状物金属材料。金属导电几何结构并不限于金、银、铜等金属，还可以使用其他的金属或者合金。作为一种具体的实施方式，采用金属导电几何结构，能够使高频段的电磁波更易穿透频选蒙皮。

图1中示出了具有六层基板以及设置在六层基板之间的五层导电几何结构层的频选蒙皮，实际上，这样设置的能够针对一定频段的波起到滤波的作用，也是为了突出本发明提供的频选蒙皮由具有相互连通的导电几何结构的导电几何结构层与具有不连通的导电几何结构的导电结合结构层之间相互交错设置的特点。

改变基板和布置在基板的上、下表面的导电几何结构层的数量，会产生不同的滤波效果，例如，如果将两层导电几何结构层置于三层基板之间，可对低频和高频的电磁波起到透波的作用，对中频电磁波起抑制作用。假设两层导电几何结构层相对介电常数为3.1mm；每层基板厚度为0.8mm；一层导电几何结构层上设置的导电几何结构为金属方片，方片的尺寸为5.3mm，另一层导电几何结构层上设置的导电几何结构为十字形金属，且十字形金属的尺寸为：长6.5mm，宽6.5mm，金属线宽0.1mm，金属厚度0.018mm，金属为液态银。仿真后，得到的仿真结果在电磁波照射到材料时，电磁波的损耗S21透波率值在频段8.5到17GHz都小于1，表示电磁波透波率很高。实现了对工作频段的电磁波透射的性能要求。

网格状的导电几何结构可以是均匀排列的，也可以是非均匀排列的，可以根据天线工作频率进行调整，其中，均匀排列和非均匀排列的排列规律均可以根据天线的工作参数进行调整，以实现电容和电感的调节。

优选地，采用十字型的导电几何结构构成相互连通的导电几何结构。当然，也可以采用其他形式的几何结构。

十字型的相互连通的导电几何结构形成网格状的导电几何结构。

网格状的导电几何结构的网格形状为三角形、四边形、五边形、六边形、圆形、十字形、椭圆形中至少一种。其中，网格状中的网格可以是封闭的，也可以是开口的。

另外，网格状的导电几何结构所形成的网格中至少一部分设置有直线或者曲线形成的导电几何结构，该导电几何结构是十字型、一字型、雪花型、以及十字型的变形结构中的任意一种，也可以是任意几种的组合。其中，十字型的变形结构可以是耶路撒冷十字形结构。位于网格内的导电几何结构与构成网格的导电几何结构可以电性隔绝。

各个导电几何结构也可也是相互之间不连通的，相互之间不连通的导电几何结构可也是导电片、网格状导电几何结构、环状导电几何结构、十字型导电几何结构、一字型导电几何结构、雪花型导电几何结构、以及十字型的变形结构中至少一种导电几何机构。此处的十字型的变形结构也可以是耶路撒冷十字型结构。其中的网格状导电几何结构可以是多个单独的十字型、雪花型的导电几何结构形成的网格状导电几何结构，这样的网格状导电几何结构再单独作为一个整体，与其他网格状的导电几何结构相互之间不连通地设置。

网格是封闭的，也可以是开口的。

多个网格状的导电几何结构可以是平面结构也可以是立体结构，导电几何结构为平面结构时，位于网格内的导电几何结构与构成网格的导电几何结构位于不同的平面。

在具体实施的过程中，为了实现导电几何结构的固定，导电几何结构层还包括用于连接导电几何结构和基板的连接层，导电几何结构与连接层位于不同的平面。该连接层可以为塑料薄膜层。导电几何结构固定在塑料薄膜层的一面，然后在将塑料薄膜层的另一面粘贴到基板的上表面或下表面上。

不同导电几何结构层之间的导电几何结构的形状、大小、线宽、以及间距相同或者不同，也可以是其中任意一个量相同或者任意几个量相同，同一导电几何结构层上的导电几何结构同理。

将本发明实施例提供的频选蒙皮用于天线罩中，由于天线罩在设计制作时，根据天线的形状的不同，其结构形状也会不同，这就会导致频选蒙皮中的基板具有规则或者不规则的表面。导电几何结构层可以置于规则的基板的上表面或者下表面，也可以置于不规则的基板的上表面或者下表面。

图2是本发明优选实施例的第一导电几何结构层附着在第二基板上的示意图，图2也可以说是第一导电几何结构层附着在第一基板下表面的示意图或者是第一导电几何结构层附着在第二基板上表面的示意图，例如第一导电几何结构层12设置在第一基板11和第二基板13之间。该图中，由于设置在第一导电几何结构12a下方的连接层，即连接薄膜由于非常轻薄，并且基本被第一导电几何结构12a所覆盖，仅示出了第一导电几何结构层12上布置的第一导电几何结构12a，所以在图2中，没有对第一导电几何结构层进行标注。第一导电几何结构层12上设置的第一导电几何结构12a之间是相互连通的，连接起来之后构成了一整片的导电片。

图3是本发明优选实施例的第一导电几何结构的示意图，作为一种具体的实施方式，第一导电几何结构为正方形的导电片。从图2中可以看出，布置在第一导电几何结构层上的多个导电片相互连通，实际上，相互连通的导电片也是按照网格状布置的，只是由于矩形的特殊结构，导致无法分辨出形成网格的线条。

图2和图3中示出的导电片可以采用边长为4.5mm至5.5mm长的正方形导电片。也可以采用其他尺寸的长方形导电片，还可以采用三角形甚至圆形等形状的导电几何结构。

图4是本发明优选实施例的第二导电几何结构层附着在第三基板上的示意图；图4也可以说成是第二导电几何结构层设置在第三基板上表面的示意图或者说是第二导电几何结构层设置在第二基板下表面的结构示意图。图4中，设置有四个第二导电几何结构14a，由于位于第二基板13的上表面的第一导电几何结构12a之间是相互连通个的，本发明中的频选蒙皮的各层基板之间是具有相互连通的导电几何结构的导电几何结构层与具有相互之间不连通的导电几何结构的导电几何结构层交错地布置，第二导电几何结构14a相互之间是连通的，所以，图4中的第二导电几何结构12a之间应该设置成不连通的。从图4中可以看出，第二导电几何结构12a为与图3中的第一导电几何结构12a的形状相同的正方形导电片，并且，各个第二导电几何结构14a之间互相不连通，从图4中能够清楚地看出，不连通的第二导电几何结构14a均匀排布成网格状的导电几何结构。第二导电几何结构14a同样是通过用于连接的塑料薄膜被粘贴在第三基板15的上表面，或者被粘贴在第二基板13的下表面。

图4中的第二导电几何结构14a也可以设计成长方形、环状、十字型、一字型、雪花型、以及十字型的变形结构。在本实施例中，第二导电几何结构14a采用边长为0.3mm至1.2mm的正方形导电片。

并且，第一导电几何结构12a的面积与第二导电几何结构14a的面积可以相同，也可以不同。

图5是本发明优选实施例的第三导电几何结构层附着在第五基板上的示意图，图5也可以说是第三导电几何结构层附着在第四基板下表面的示意图或者说是第三导电几何结构层附着在第五基板上表面的示意图。图5中示出了第三导电几何结构16a设置在第四基板17上表面所构成的导电几何结构的示意图，可以看出，多个第三导电几何结构16a相互连通，构成网格状的导电几何结构，并将网格状的导电几何结构设置在第四基板17的上表面，或者将构成的连通的网格状的导电几何结构设置在第三基板15的下表面。由于设置在第三基板15的上表面的第二导电几何结构14a之间是相互隔绝的，所以，与第二导电几何结构层14相邻的第三导电几何结构层16上设的第三导电几何结构16a之间需要彼此连通。

图6是本发明优选实施例的第三导电几何结构的示意图，从图6中可以看出，第三导电几何结构16a为十字形导电几何结构，并且，构成十字的两条长方形的导电片的长度和宽度可以是相等的，也可以是不相等的，作为一种具体的实施方式，十字形贴片的每条边的宽度为0.3mm至1.2mm。

从图1中可以看出，第四基板17和第五基板19之间还设置有第二导电几何结构层14，在第五基板19与第六基板21之间还设置有第一导电几何结构层12。第四基板17和第五基板19之间可以设置与第二导电几何结构层14上的第二导电几何结构14a的形状以及排列方式不同的导电几何结构层，只要该导电几何结构层上的导电几何结构之间为相互隔绝，即相互之间不连通。同样，第五基板19与第六基板21之间设置的第一导电几何结构层12也可以替换成具有与第一导电几何结构12a的形状和排列形式不同的导电几何结构的导电几何结构层，只要该导电几何结构层上的导电几何结构之间是相互连通的。

本发明中，之所以安装从处于中间的第三导电几何结构层16逐渐向外呈对称的设置具有相同的导电几何结构的导电几何结构层，即第三导电几何结构层16的上方和下方的导电几何结构层是相同，是处于满足某一频段的天线的工作需要的基础之上设计出来的，在符合天线设计的需要的基础上，可以做出任意的改变。

本发明实施例中，将位于外侧的第一导电几何结构层12上的第一导电几何结构12a设计成相互连通的正方形导电片，以使第一基板11与第二基板13之间，以及第五基板19与第六基板21之间全都覆盖上导电层，以满足天线的需要。同样采用十字型的第二导电几何结构14a布置在第三导电几何结构层16的两侧，是与第一导电几何结构12a相配合，构成对一定频段的天线的通带外滤波和透波。

本发明提供的频选蒙皮的总厚度可以控制在1.8mm至2.0mm。设置在各层导电几何结构层上的导电几何结构所占的总面积可以为6*6mm²。每层基板可以采用介电常数为2.8的材料，并且，材料损耗设计为0.0045。

为了整齐美观，每层基板的边长可以设计为3.8mm，并且，上下表面基板厚度为0.2mm，即第一基板11和第六基板21的厚度为0.2mm；中间层基板厚度均为0.3mm，即第二基板13、第三基板15、第四基板17以及第五基板19的厚度均为0.3mm。

第一导电几何结构层12、第二导电几何结构层14以及第三导电几何结构层16的厚度为0.018mm至0.025mm。

导电几何结构置于物理材料表面或夹层中，可对电磁波起到调节作用，根据材料的不同，以及各导电几何结构的具体结构和尺寸的不同，可吸收电磁波，或使电磁波的传播方向发生偏折，甚至反射。

导电几何结构还可以通过刻蚀的方式附着在基板上，也可以采用电镀、钻刻、电子刻或者例子刻等方式附着在基板上。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种天线罩，图7是本发明优选实施例的天线罩的剖面结构示意图，该图中示出了天线罩包括三层结构，该三层结构为轻质材料制成的支撑层30、保护蒙皮50以及频选蒙皮10，其中，保护蒙皮50设置在支撑层30的一侧外表面，频选蒙皮10可以设置在支撑层30的另一侧外表面，也可以设置在保护蒙皮50的外表面，还可以设置在支撑层30与保护蒙皮50之间。作为一种具体的实施方式，本发明提供的频选蒙皮由上至下依次为保护蒙皮50、支撑层30、频选蒙皮10，其中，频选蒙皮10为上述频选蒙皮。

实际上，对于实现天线罩在某一频段下的透波和通带外滤波的效果，保护蒙皮50并不是必须要选择的，即保护蒙皮50是非必要的。但是，考虑到天线罩的工作环境，为了保护天线，延长天线的使用寿命，加设了位于最外层的保护蒙皮50是非常有必要的。

天线罩中的支撑层30可以采用热塑性树脂、热固性树脂或橡胶等材料，为了获得较轻的重量，可以采用硬质聚氨酯泡沫材料。这样的轻型材质能够使该天线罩更加适用于航空航天领域。

本发明提供的天线罩采用频选蒙皮10与轻质材料支撑层30，其中频选蒙皮10完成对电磁波频选功能，轻质材料支撑层30能够增强天线罩的机械性能，使天线罩的电学性能与机械性能相对分离，整体达到最优效果。并且，轻质材料支撑层30采用轻质材料代替玻璃钢，能够减轻天线罩的重量，有利于增加飞机的巡航能力。

本发明涉及一种KU波段带通超材料机载天线罩，用于保护的天线不受恶劣环境的影响，并允许通带内的信号通过而对通带外的信号进行制止。本发明采用轻质材料加上具有频选性能的频选蒙皮，保证天线罩具有较轻的重量并具有良好的机械性能。

另外，根据本发明的又一个方面，还提供了一种天线系统，该天线系统包括天线和设置在天线上的天线罩，该天线罩为上述天线罩。

图8是本发明优选实施例的天线罩的透波率仿真分析结果示意图，对具有上述频选蒙皮的天线系统的透波和通外滤波进行仿真，图8中，水平坐标示出了天线系统的工作频段，单位为兆赫兹（GHz）；纵向坐标示出了微波经过天线时造成的损耗，单位为分贝（dB）。从图8中可以看出，可以看出在12到14.5GHz的频段，微结构的传输损耗小于-1dB，并且在低频带外1GHz处透波能抑制在-10dB以下，高频带外1GHz处透波能抑制在-30dB以下，频选特性优异，避免了寄生通带对带外抑制的影响。可以说明该微结构能满足天线的工作要求，并均有良好的带外抑制作用，提高装备的隐身性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (29)

1.一种频选蒙皮，其特征在于，包括多层基板以及设置在所述基板的上表面和/或下表面的导电几何结构层，每层所述导电几何结构层上设置有一个或多个连通的导电几何结构或不连通的导电几何结构；

其中基板和导电几何结构使得频选蒙皮具有这样的介电常数和磁导率：使得电磁波在通过该频选蒙皮时，在工作频段内高透波，工作频段外被截止。

2.根据权利要求1所述的频选蒙皮，其特征在于，设置有相互连通的导电几何结构的导电几何结构层与设置有互不连通的导电几何结构的导电几何结构层交错地布置在所述基板之间。

3.根据权利要求1所述的频选蒙皮，其特征在于，连通的所述导电几何结构为十字型导电几何结构，连通的所述十字型导电几何结构形成网格状的导电几何结构。

4.根据权利要求3所述的频选蒙皮，其特征在于，所述网格状的导电几何结构的网格形状为三角形、四边形、五边形、六边形、圆形、十字形、椭圆形中至少一种。

5.根据权利要求3或者4所述的频选蒙皮，其特征在于，所述网格是封闭的或者开口的。

6.根据权利要求3或者4所述的频选蒙皮，其特征在于，所述网格状的导电几何结构所形成的网格中的至少一部分设置有直线或者曲线形成的导电几何结构，该导电几何结构是十字型、一字型、雪花型、以及十字型的变形结构中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的频选蒙皮，其特征在于，不连通的所述导电几何机构是导电片、网格、环状、十字型、一字型、雪花型、以及十字型的变形结构中至少一种导电几何机构。

8.根据权利要求3或者4所述的频选蒙皮，其特征在于，所述网格状的导电几何结构呈均匀或非均匀排列。

9.根据权利要求3或者4所述的频选蒙皮，其特征在于，所述网格状的导电几何结构为平面结构。

10.根据权利要求3或者4所述的频选蒙皮，其特征在于，所述网格状的导电几何结构为立体结构。

11.根据权利要求1所述的频选蒙皮，其特征在于，所述导电几何结构层还包括用于连接所述导电几何结构和所述基板的连接层，所述导电几何结构与所述连接层位于不同的平面。

12.根据权利要求1所述的频选蒙皮，其特征在于，所述基板为复合材料基板或陶瓷基板。

13.根据权利要求12所述的频选蒙皮，其特征在于，所述复合材料基板为热固性材料基板或热塑性材料基板中的一种。

14.根据权利要求12所述的频选蒙皮，其特征在于，所述复合材料为包含纤维、泡沫和/或蜂窝的一层结构材料或者多层结构材料。

15.根据权利要求12或者14所述的频选蒙皮，其特征在于，所述复合材料含有增强材料，所述增强材料为纤维、织物、粒子中的至少一种。

16.根据权利要求1所述的频选蒙皮，其特征在于，所述基板的层数为2-6层。

17.根据权利要求16所述的频选蒙皮，其特征在于，所述基板的层数为3层或者4层。

18.根据权利要求1所述的频选蒙皮，其中，所述导电几何结构的厚度为1至50微米。

19.根据权利要求18所述的频选蒙皮，其中，所述导电几何结构的厚度为10至30微米。

20.根据权利要求19所述的频选蒙皮，其中，所述导电几何结构的厚度为16至20微米。

21.根据权利要求1所述的频选蒙皮，其特征在于，所述导电几何结构的宽度为2至6毫米。

22.根据权利要求1所述的频选蒙皮，其特征在于，所述导电几何结构的线宽为20至1000微米。

23.根据权利要求22所述的频选蒙皮，其特征在于，所述导电几何结构的线宽为50至500微米。

24.根据权利要求23所述的频选蒙皮，其特征在于，所述导电几何结构的线宽为100至200微米。

25.根据权利要求1所述的频选蒙皮，其中，所述介质层的介电常数ε满足：1≤ε≤5。

26.一种天线罩，其特征在于，包括：

支撑层（30）；

频选蒙皮（10），设置在所述支撑层（30）的外表面，

其中，所述频选蒙皮（10）为权利要求1至25中任一项所述的频选蒙皮。

27.根据权利要求26所述的天线罩，其特征在于，所述支撑层（30）为轻质材料制成的支撑层。

28.根据权利要求27所述的天线罩，其特征在于，所述支撑层（30）的一侧外表面设置有保护蒙皮（50），所述频选蒙皮（10）设置在所述支撑层（30）的外表面、所述保护蒙皮（50）的外表面或者所述支撑层（30）与所述保护蒙皮（50）之间。

29.一种天线系统，其特征在于，包括：天线和罩设在所述天线上的天线罩，所述天线罩为权利要求26至28所述的天线罩。