CN109964366A - 用于对天线的电磁辐射遮蔽物体的涂层 - Google Patents
用于对天线的电磁辐射遮蔽物体的涂层 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109964366A CN109964366A CN201780065964.6A CN201780065964A CN109964366A CN 109964366 A CN109964366 A CN 109964366A CN 201780065964 A CN201780065964 A CN 201780065964A CN 109964366 A CN109964366 A CN 109964366A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- barrier
- coating
- dielectric
- component
- dielectric coating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 94
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 93
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 title description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 title description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 137
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 24
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 12
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 31
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 21
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 18
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 11
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 230000037237 body shape Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005404 monopole Effects 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 208000035269 cancer or benign tumor Diseases 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
- H01Q1/28—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
- H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
- H01Q1/3208—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used
- H01Q1/3233—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used particular used as part of a sensor or in a security system, e.g. for automotive radar, navigation systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
- H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
- H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
- H01Q19/02—Details
- H01Q19/021—Means for reducing undesirable effects
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computer Security & Cryptography (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Astronomy & Astrophysics (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
- Details Of Aerials (AREA)
Abstract
本发明涉及一种组件，所述组件包括装置(20)和障碍物(10)，所述组件旨在经受波长为λ的入射电磁波。所述障碍物(10)由导电材料形成、并且采取相对于纵向轴线(O；ez)的横向尺寸为r的大致柱形形状，所述纵向轴线大致垂直于所述入射电磁波的传播方向。所述障碍物(10)进一步具有最大横向尺寸d，使得比值d/λ小于1。所述装置(20)被置于所述障碍物(10)的全部表面或部分表面上、并且包括电介质涂层(21)套管和导电涂层(22)套管，所述电介质涂层具有等效相对介电常数εreq、具有沿所述套管的纵向轴线的高度hp，所述高度大致等于公式(A)，所述导电涂层被置于所述电介质涂层(21)的周缘上。
Description
技术领域
本发明属于电磁领域。
更具体地，本发明属于天线领域。
更具体地，本发明涉及一种使障碍物对无线电天线的辐射特征的影响衰减的装置。
背景技术
通常，电磁场中传导性障碍物的存在引起所述电磁场的例如相移的变化，这些变化揭示出存在障碍物。
参见1，当这样的物体位于无限电天线附近时，该物体一般导致天线的辐射图案302发生变形，参见2b，这相对于如图2a中所展示出的、在不存在障碍物的情况下的天线的标称图案301对该天线在某些方向上的性能具有负面影响。此处，表述“位于……附近”应当被理解为对应于障碍物与天线之间的距离小于所考虑的辐射的波长的情况。
存在使物体对电磁波不可见的装置。这些装置本质上在于对电磁场的变化进行补偿，以便消除障碍物存在的痕迹，并且因此给出没有障碍物的错觉。
例如，美国专利申请号US 2014/0238734中所呈现的装置描述了围绕待遮蔽物体的电磁遮盖物。遮盖物用作允许电磁波以比在不存在障碍物的情况下更快的相速度绕过所述障碍物的波导，以便对由于绕过障碍物所引起的额外的距离加以补偿，该距离导致波相对于其自由场值的相移。
国际专利申请号WO 2014/182398中所呈现的装置描述了使用超颖表面的第二种技术，该超颖表面允许减小或抵消由障碍物所衍射的波。
美国专利申请号US 2011/0163903中所描述的另一种技术在于产生与由障碍物所衍射的电磁波发生干扰的电磁场，其目的是减小或抵消该电磁波。为了实现这一点，由导电材料构成的网状物被置于待遮蔽的传导性物体周围。入射电磁波在位于网状物与物体之间的区域中产生电磁波，从而允许使由物体所衍射的波大幅衰减、或甚至被完全抵消。
Benitta Sherlin等人所著的出版物“用RF遮掩物减小RCS(RCS reduction withRF cloak)”中描述了用于减小柱形金属物体的雷达截面(RCS)的两种涂层构型。第一涂层构型由围绕圆形截面的柱形金属物体周缘布置、沿所述物体的纵向轴线周期性地布置的金属锥体阵列构成。两个金属锥体由电介质而彼此分隔开。
第二涂层构型由沿圆形截面的柱形金属物体的纵向轴线周期性地布置、围绕所述柱形金属物体周缘的金属图案的阵列构成，这些金属图案由多块微带型条带构成。两个图案由电介质而彼此分隔开。
Ladislau Matekovits等人所著的出版物“金属柱体的各向异性遮掩(Anisotropic cloaking of a metallic cylinder)”中描述了用于减小圆形截面的柱形金属物体的雷达截面(RCS)的超颖表面，该超颖表面由打印在电介质上、并且包封所述金属物体的准周期性机构构成。
以上所呈现的解决方案具有以下缺点：它们的几何形状和/或它们的复杂性使得它们难以实施或可能会是昂贵的。
发明内容
根据本发明的装置提供了用于解决对天线遮蔽物体的问题的有效且经济的解决方案。
根据本发明，布置在障碍物上的涂层允许通过产生与由物体所衍射的波发生干扰的电磁波来大幅减小或甚至完全抵消物体的雷达截面。
本发明涉及一种组件，所述组件包括障碍物和装置，所述组件旨在经受波长为λ的入射电磁波。
所述障碍物由导电材料形成、并且采取具有纵向轴线(O；ez)的大致柱形形状，所述纵向轴线大致垂直于所述入射电磁波的传播方向。所述障碍物还具有最大横向尺寸d，使得比值d/λ小于1。
所述装置被置于所述障碍物的全部表面或部分表面上，以便使所述障碍物的雷达截面减小，并且所述装置包括：
-电介质涂层套管，所述电介质涂层具有等效相对介电常数εreq、具有沿所述套管的纵向轴线的高度hp，所述高度大致等于
-导电涂层套管，所述导电涂层被放置成围绕所述电介质涂层的周缘，所述导电涂层具有沿所述套管的纵向轴线与所述电介质涂层套管的高度相同的高度hp。
在一个实施例中，所述电介质涂层由单一电介质材料形成。
在一个实施例中，所述电介质涂层包括多种电介质材料，所述涂层的组成电介质材料中的每一种电介质材料的相对介电常数和厚度确定所述等效相对介电常数εreq。
在一个实施例中，所述电介质涂层的高度hp借助于直接电磁仿真进行优化，以便出于力图所述障碍物的最小雷达截面的目的来调整所述高度。
在一个实施例中，所述电介质涂层的厚度借助于直接电磁仿真进行优化，以便出于力图所述障碍物的最小雷达截面的目的而调整所述厚度。
在一个实施例中，所述障碍物是椭圆柱体，并且所述电介质涂层和所述导电涂层大致采取椭圆柱形套管的形状。对所述电介质涂层做出调整以适应所述障碍物，并且对所述导电涂层做出调整以适应所述电介质涂层的套管。
在另一个实施例中，所述障碍物的母线椭圆是圆，并且所述电介质涂层和所述导电涂层大致采取圆柱形套管的形状。
在一个实施例中，所述障碍物、所述电介质涂层以及所述导电涂层是轻微内弯的。
在一个实施例中，所述障碍物和/或所述导电涂层由金属组成。
本发明还涉及一种交通工具，尤其是海上交通工具、空中交通工具、或陆地交通工具，所述交通工具包括根据本发明的组件。
附图说明
通过阅读以下描述并检查附图将更好地理解本发明。这些描述和附图仅是以本发明的完全非限制性指示的方式呈现的。
图1示出了置于表面上、在障碍物附近的天线。
如上所述，图2a示出了竖直地极化的单极全向天线在水平面中的辐射图案。
如上所述，图2b示出了在存在障碍物的情况下图2a的天线在水平面中的辐射图案。
图3是本发明的第一实施例的透视图，其中，障碍物是具有圆形截面的大致柱形的，并且电介质涂层和金属涂层是具有圆环状截面的大致柱形的。
图4示出了无限高度并且半径为r、暴露于入射电磁场的圆形截面的柱形物体的透视图。
图5示出了无限高度并且半径为r的圆形截面的柱形物体的透视图，该物体由根据本发明的图3的实施例的装置覆盖、并且暴露于图4的入射电磁场。
图6示出了圆形截面的、并且具有无限高度的柱形物体的透视图，该物体由根据本发明的图3的实施例的三个电磁涂层的组件覆盖。
图7a示出了本发明的覆盖采取椭圆柱体形状的障碍物的第二实施例的透视图。
图7b示出了本发明的覆盖采取六边形截面的柱体形状的障碍物的第三实施例的透视图。
图7c示出了本发明的覆盖管状且轻微内弯的障碍物的第四实施例的透视图。
图8a示出了分别在不存在障碍物的情况下、在存在大致采取具有竖直轴线的椭圆柱体形状的导电障碍物的情况下、以及在存在由根据图7a的实施例的装置部分地覆盖的所述导电障碍物的情况下沿竖直轴线极化的线天线在水平面中的辐射图案。
图8b示出了分别在不存在障碍物的情况下、在存在具有六边形截面和竖直轴线的大致柱形导电障碍物的情况下、以及在存在由根据图7b的实施例的装置部分地覆盖的所述导电障碍物的情况下沿竖直轴线极化的线天线在水平面中的辐射图案。
图8c示出了分别在不存在障碍物的情况下、在存在大致管状并且弯曲的导电障碍物的情况下、以及在存在由根据图7c的实施例的装置部分地覆盖的所述导电障碍物的情况下沿竖直轴线极化的线天线在水平面中的辐射图案。
图9a、图9b和图9c示出了分别在不存在障碍物的情况下、在存在具有圆形截面和竖直轴线的柱形导电障碍物的情况下、以及在存在由根据图3的实施例的装置部分地覆盖的所述导电障碍物的情况下沿竖直轴线极化的线天线的三维辐射图案。
在附图中，执行相同的功能的类似元件即使形状不同，也具有相同的附图标记。
具体实施方式
在整个说明书中，除方程之外，向量以与附图中相同的方式用粗体示出，以便利于表示。
向量的分量借助于它们的带下表的坐标来标识，例如，向量E就笛卡尔坐标而言由其分量(Ex，Ey，Ez)定义，并且就柱面坐标而言由其分量(Eρ，Eθ，Ez)定义。
当定义了正交坐标系(O；ex；ey；ez)时，竖直方向将被指定为由轴线ez给出。这是基于通常保持的惯例的任意选择的结果，并且并不限制本发明。如此，与平面(O；ex；ey)平行的任何平面均被认为是水平面。
在整个说明书中，将使用首字母缩略词EMW来指代电磁波。当此EMW具有波长λ时，具有长度量纲的任何物理量a可以相对于此波长λ或相对于波数k＝2π/λ无量纲地呈现。无量纲量将使用与有量纲量相同的符号、以及星号上标和无量纲量下标来表示。例如或在整个说明书中，将使用首字母缩略词RCS来指代物体的雷达截面。
对于数值应用，光通过空气的速度被认为等于C＝3x 108m/s。
本发明的详细说明使用对飞行器的应用的实例来提供。飞行器可以例如是运载飞行器，该运载飞行器的一部分必须被制成对安装在此运载飞行器上的天线的辐射不可见。这个实例不限制本发明，本发明可应用于所有情形，包括用于固定物体，在这种情形下，无线电天线的辐射图案被障碍物破坏。
图1示出了表面Σ，例如飞行器的机身的区域，该表面包括天线50、典型地是被设计成用于108MHz与136MHz之间的频率的VHF全向天线，并且在该天线附近，机身的赘生物形成障碍物10，该障碍物易于与天线所发出或接收的无线电波发生干扰。
障碍物10例如是设备(图中未示出)、例如HF线接收天线的支撑件。
以已知的方式，由障碍物10造成的与天线的辐射图案的干扰取决于：
-障碍物10的尺寸；
-从障碍物到天线的距离；
-所述障碍物的构成材料的无线电频率特性；
-所考虑的波长。
本领域技术人员已知表征无线电波传播的方程，特别是用于天线及其操作的研究。在此仅对于披露本发明的操作原理来重复这些方程。
图2a示意性地示出了辐射图案，线301展示了全向天线当所述天线处于自由场操作、即没有障碍物与由天线所辐射的场发生干扰时在水平面中的辐射。
图2b示出了辐射图案，线302展示了图2a的天线在存在障碍物10时的辐射。
图案由于存在障碍物10而发生变形的程度自然地根据条件而变化。例如，障碍物离天线越近，并且障碍物越大，干扰就将越大。
图3示意性地示出了导电障碍物10，根据本发明的一个实施例，该导电障碍物包括装置20、并且暴露于天线50所发出的波长为λ的入射电磁场(Einc；Hinc)。Einc表示入射电场向量，并且Hinc表示入射磁场向量。
在图3的实施例中，障碍物10的形状是大致柱形的、具有圆形截面和竖直纵向轴线，高度为h、并且半径为r。
障碍物10的直径决定了所述障碍物的最大横向尺寸d。在图3的实施例中，柱形障碍物10的直径与波长λ的比值小于或等于1。
装置20实施在障碍物10的表面的至少一部分上、并且包括：
-附连或结合至障碍物10的固体电介质涂层21；
-附连或结合至电介质涂层21的金属涂层22。
在图3的示例性实施例中，电介质涂层21附连至障碍物10的表面以便与所述障碍物的形状适形。电介质涂层21具有厚度t、所述基质固有的相对介电常数εr、以及取决于入射EMW的波长λ的高度hp。
在这个非限制性示例性实施例中，电介质涂层21采取圆环状截面的大致柱形套管的形状，内半径为r、并且外半径为r+t。
金属涂层22附连至电介质涂层21的表面以便与所述电介质涂层的形状适形。
在图3的示例性实施例中，金属涂层22具有与电介质涂层21相同的高度hp、并且采取类似的形状。金属涂层的内半径为r+t。
金属涂层应当足够厚以传导由天线的辐射所感应的电流。
此外，电介质涂层21的单位法向量±ez的表面未被金属涂层22覆盖，以便在装置20的实施期间允许EMW的辐射存在于所述电介质涂层中。
障碍物10和装置20因此限定填充以电介质涂层21的电介质材料的电磁腔体。
根据支撑本发明的理论基础将更好地理解装置20的原理和操作，在下面使用简单的情况并简化该情况所允许的假设来呈现这些理论基础。
图4展示了无限高度并且半径为r的圆形截面的完美导电柱形障碍物10。
正交坐标系(O；ex；ey；ez)被定义成使得柱形障碍物10的纵向回转轴线在方向上与轴线(Oz)的方向大致平行。空间中的点M可以因此通过其笛卡尔坐标(x，y，z)或其柱面坐标(ρ，θ，z)来标识。
障碍物10被置于入射电磁场(Einc；Hinc)中。为了简化此处呈现的描述和方程，障碍物10暴露于平面的、渐进的、单色的电磁波(下文中称为EMW)，然而，这本发明的范围不受限于这种类型的波。EMW由脉冲ω表征、或等效地由频率f或波长λ表征，该波长考虑了通过所考虑的介质(例如空气)的给定传播速度。
示出了由EMW的波向量kinc、入射电场Einc、以及入射磁场Hinc形成的正交三面体(kinc；Einc；Hinc)。为了简化描述，EMW沿轴线(Oz)极化，并且入射电场Einc因此处于与障碍物10的回转轴线相同的方向上。波向量kinc和入射磁场Hinc因此属于平面(Oxy)。
坐标系(O；ex；ey；ez)被定向成使得波向量kinc和磁场Hinc分别与轴线ex和ey共线。
障碍物10的直径决定了所述障碍物的最大横向尺寸d。在图4的实施例中，柱形障碍物10的直径与波长λ的比值小于或等于1。
在上述假设下，先前已经进行了对无限完美导电柱体对EMW的衍射的研究，例如在以下文件中：Kirk T.McDonald所著的“小的传导性柱体对平面电磁波的散射(Scatteringof a Plane Electromagnetic Wave by a Small Conducting Cylinder)”和J.J.Thomson所著的“电学和磁学的最近研究(Recent Researches in Electricity and Magnetism)”。此处概述了用于理解本发明的主要元件。
当导电障碍物10被置于入射电磁场中时，如图4中所展示出的，所述电磁场使导电障碍物10中的电荷运动，从而因此引起感应电磁场(Eind；Hind)的出现，该感应电磁场包括感应电场Eind和感应磁场Hind。在稳定状态下，障碍物10周围的由总电场E和总磁场H组成的总电磁场(E；H)因此是入射电磁场的总和的结果、并且包括：
此后，仅对电场加以考虑，假定的是磁场总是可以借助于麦克斯韦方程组(Maxwell’s equations)从电场推导出。
常规地，问题的对称性引起感应电场Eind具有沿轴线ez的单一分量。类似地，感应电场Eind与z坐标无关：
其中，(ρ，θ，z)表示柱面坐标。
感应电场Eind以以下形式求解：
感应电场Eind的竖直分量和总电场E的竖直分量由应用于电场并随后投影到轴线ez上的波方程推导出：
其中：
-表示一阶汉克尔函数(Hankel function)；
-An表示与一阶汉克尔函数相关联的傅里叶系数。
下面将使用相对于波数k无量纲地呈现的量和
根据图4的假设：
-H1：柱体的半径r相对于波长λ而言较小；
-H2：障碍物10是完美电导体；
由此得出：
H1:
H2：
因此，在柱体的表面处，即在ρ＝r处，近似方程为：
通过逐项标识，必定从其中推导出：
并且总电场E的竖直分量的表达式为：
假定H1并且根据第一种汉克尔函数的特性，系数A0、A-1、和A1的表达式可以近似为：
入射磁场Hinc、感应磁场Hind和总磁场H可以从麦克斯韦方程组推导出。
障碍物10的RCSσ由上述结果推导出：
假设对于|n|＞1的其他项An相对于A0、A-1和A1是可忽略的。
现在，假定H1：
因此，假定H1，障碍物10的RCSσ仅取决于系数A0，其原因是相对于这个系数而言，其他项是可忽略的。
图5展示了障碍物10，该障碍物例如是图4中所描述的障碍物、并且装配有根据本发明的图3的实施例的装置20。障碍物10暴露于例如图4中所描述的EMW。
入射电磁波引起障碍物10中和金属涂层22中出现电流。
形成电磁腔体的装置20于是用作天线：电介质材料中出现腔体电磁场(Ecav；Hcav)，随后使得该腔体电磁场进行辐射。
完全柱形的腔体(Ecav；Hcav)中的电磁场的谐振频率由以下表达式给出：
其中：
-r是障碍物10的半径；
-t是电介质涂层21的厚度；
-εr是所述电介质涂层的相对介电常数；
-hp是装置20的高度；
-c是真空光速。
特别地，腔体电磁场(Ecav；Hcav)的横磁模式TM01的频率的表达式为：
上面在图4的示例性实施例中已经看出的是，当柱体单独经受EMW时，该EMW的入射电场Einc沿圆柱形障碍物10的回转轴线极化，并且该EMW的波长是所述障碍物的半径的至少10倍大，障碍物10的RCSσ基本上仅取决于系数A0，并且总电场E具有沿所述柱形物体的回转轴线的单一分量。
图5的装置20的尺寸确定为使得根据横磁模式TM01以入射波的波长λ辐射腔体电磁场(Ecav；Hcav)。具体地，这种腔体电磁场的腔体电场Ecav沿轴线ez具有非零分量；该非零分量能够与由障碍物10所辐射的感应电磁场(Eind；Hind)发生干扰，其目的是抵消所述障碍物的RCSσ。
装置20的高度hp因此必须大致等于：
在实践中，一旦在理论上建立高度hp，就可以通过电磁仿真来优化该高度的值。
在图5的示例性实施例中，入射电磁场(Einc；Hinc)和感应电磁场(Eind；Hind)沿轴线ez极化。腔体电场Ecav因此必须也基本上沿相同的轴线极化，否则在将装置实施在障碍物10上期间总电场E将与在不存在障碍物的情况下的总电场E显著不同。装置20的尺寸确定为使得横磁模式TM01是腔体电磁场(Ecav；Hcav)的基模。
关于电介质涂层21的厚度t和其相对介电常数εr的条件必然随之发生：
或者：
对于给定波长λ和电介质材料的相对介电常数为εr，方程(1)给出了装置20的高度。
方程(3)的条件限制了电介质涂层21的径向厚度。在实践中，以下二者的比值：
-装置20的高度；
-柱形障碍物10的半径与电介质涂层21的厚度的总和；必然大于π，即约为3。
由此得出，电介质涂层21的厚度不限制于一个值。电介质涂层21的尺寸因此可以被确定为优化装置20的有效性。这种优化可以例如通过电磁仿真执行，其目的是使障碍物10的RCSσ尽可能地最小化。
一旦在厚度和高度方面确定了尺寸，装置20使得可以作用于傅里叶系数A0的模数的值以便使其显著减小，从而因此允许使障碍物10的RCSσ减小。
在实践中，障碍物10的RCSσ在以与腔体的通频带大致相对应的f为中心的频带中减小。最显著的衰减发生在频率f。
在某些情况下，例如在障碍物的高度很高的情况下，腔体电磁场(Ecav；Hcav)的能量可能不足以充分地补偿感应电磁场(Eind；Hind)的能量，并且在实施装置20时不足以有效地减小障碍物10的RCSσ。于是，有利的是沿障碍物10的轴线串联地连接与装置20类似的多个装置，如图6中所展示出的那样。优选地，该一个或多个装置20覆盖障碍物的整个表面以便使障碍物的RCSσ尽可能地减小，并且使得障碍物10对天线的辐射基本上不可见。
应当指出的是，一旦装置20已经如以上所描述地确定尺寸为用于与波长λ相关联的频率f，所述装置仍可以用于位于由障碍物10和装置20所形成的电磁腔体的通频带内的任何频率。
为了数学表达式的清晰和简单起见，上面已经考虑了无限高度的柱体。方程(1)、(2)和(3)在有限高度的柱体的情况下依然有效，并且以上推理在经必要修正后是类似的。
本发明不受限于对例如已经用来支持推理并允许使方程简化的圆形截面的大致柱形物体的遮蔽。
在图7a、图7b和图7c中展示出的图3的实施例的变体中，装置20用于遮蔽不同形状的物体10：
-在图7a中，装置20的电介质涂层21和金属涂层22是椭圆形环状截面的大致柱形套管、并且实施在大致采取椭圆柱体形状的导电障碍物10上；
-在图7b，装置20的电介质涂层21和金属涂层22是大致圆环状截面的大致柱形套管、并且实施在六边形截面的大致柱形的导电障碍物10上，调整电介质涂层以适应该导电障碍物的形状；
-在图7c中，装置20的电介质涂层21和金属涂层22形成环形截面的大致柱形套管，其中，所述电介质涂层和所述金属涂层是弯曲的、并且实施在管状并且轻微内弯的导电障碍物10上。
图中所呈现的示例性实施例不是限制性的，并且可以设想到待遮蔽物体10的其他几何形状。
本领域技术人员则将根据具体情况来执行完整的方程和仿真，以便计算根据本发明的装置的特征。
在一个实施例中，电介质涂层21由多种电介质材料构成，这些材料可以是固体或可以不是固体。待考虑的相对介电常数εr则是等效相对介电常数εreq，该相对介电常数应当被理解为代替涂层21的该多种电介质材料的均质材料将具有的介电常数，同时对于相同的尺寸，保留了就对电场的响应而言完全相同的物理特性。
在一个实现方式中，入射电磁场Einc；Hinc是由位于障碍物10附近的天线辐射出的。
图8a、图8b和图8c各自表示了在以下三种情况下在沿竖直轴线极化的各向同性单极线天线的水平面中的辐射图案30：
-虚线301展示了在不存在障碍物的情况下天线的辐射；
-线302展示了在存在导电障碍物10的情况下天线的辐射；
-线303展示了在存在所述导电障碍物且已经在其上实施了装置20的情况下天线的辐射。
在图8a、图8b和图8c的情况下的导电障碍物10的形状和装置20的形状分别是图7a、图7b和图7c的实施例的形状。
图8a、图8b和图8c示出了辐射图案显著地受障碍物的存在的影响：在存在导电障碍物10的情况下的线302与线301显著偏离。在这些图中所展示出的三个实施例中，线303与线301基本上完全相同，这示出了在导电障碍物10上实施装置20允许恢复在不存在障碍物的情况下获得的辐射图案。因此使导电障碍物10对于天线的辐射、至少对于所考虑的波长λ而言是不可见的。
图9a、图9b和图9c各自展示了分别在不存在障碍物的情况下、在存在具有竖直轴线的导电障碍物10的情况下、以及在存在所述导电障碍物且已经在其上实施了根据图3的实施例的装置20的情况下沿竖直轴线极化的各向同性单极线天线的三维辐射图案40。
对比图9a和图9b，示出了障碍物的存在对天线的辐射的影响。
图9a和图9c示出了在不存在障碍物的情况下或在存在至少部分地由装置20覆盖的导电障碍物10的情况下的辐射图案40在两种情况下基本上是完全相同的；装置20的存在因此允许使得导电障碍物10对天线的辐射、至少对于所考虑的波长λ而言是透明的。
同样的结论适用于天线接收电磁场的情况。
作为本发明的示例性应用，考虑具有57cm的高度的单极天线50。具有70cm的高度并且半径为r＝10cm的圆形截面的柱形障碍物10位于与天线50相距50cm处。该障碍物暴露于天线所发出的频率f＝125MHz(即波长λ＝2.40m)的EMW。
于是，“r相对于波长而言较小”的假设确实成立，其原因是：
根据本发明的装置20被置于障碍物10上以使得所述障碍物对EMW不可见。装置20由电介质涂层21(例如聚碳酸酯)构成，该电介质涂层具有相对介电常数εr＝2.9、高度为：
条件(2)意味着：
r+t＜22,4cm
t＜12,4cm
例如，厚度为10mm的电介质涂层21因此适用于置于装置20中。
对于频率f＝135MHz，即波长λ＝2.22m，该涂层的高度hp应当约为65cm。
并行地运行的电磁仿真允许对装置20的尺寸进行优化，以便使得障碍物对天线不可见。
在以上所描述的情况下，所获得的最佳涂层高度为：
hp＝68cm，对于f＝125MHz
hp＝64cm，对于f＝135MHz
这些值接近于理论上获得的值。
相对于现有技术，根据本发明的装置具有以下优点：
-实现的简单性；
-解决方案的低成本；
-对复杂形状的可适应性。
关于最后这一点，应指出的是，如果如以上所描述的本发明大致采取(可能弯曲的)柱形套管的形状，则这些是本发明的非限制性示例性实施例，并且可以对本发明做出调整以适应不同形状的物体。
通过举例的方式，可以对本发明做出调整以适应立方形、圆锥形或球形物体，或由这些形状的组合产生的形状的物体。
根据本发明的装置例如实施在飞行器纵梁上、或实施在掩蔽了附近的VHF天线的另一结构上。
Claims (10)
1.一种组件，所述组件包括障碍物(10)和装置(20)，所述组件旨在经受波长为λ的入射电磁波，其特征在于：
-所述障碍物(10)由导电材料形成、并且采取具有纵向轴线(O；ez)的大致柱形形状，所述纵向轴线大致垂直于所述入射电磁波的传播方向，所述障碍物还具有最大横向尺寸d，使得比值d/λ小于1；
-所述装置(20)被置于所述障碍物(10)的全部表面或部分表面上，以便使所述障碍物的雷达截面减小，并且所述装置包括：
o电介质涂层(21)套管，所述电介质涂层具有等效相对介电常数εreq、具有沿所述套管的纵向轴线的高度hp，所述高度大致等于
o导电涂层(22)套管，所述导电涂层被放置成围绕所述电介质涂层(21)的周缘，所述导电涂层具有沿所述套管的纵向轴线与所述电介质涂层套管的高度相同的高度hp。
2.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述电介质涂层(21)由单一电介质材料形成。
3.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述电介质涂层(21)包括多种电介质材料，所述涂层的组成电介质材料中的每一种电介质材料的相对介电常数和厚度确定所述等效相对介电常数εreq。
4.如前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，所述电介质涂层(21)的高度hp借助于直接电磁仿真进行优化，以便出于力图所述障碍物(10)的最小雷达截面的目的来调整所述高度。
5.如前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，所述电介质涂层(21)的厚度借助于直接电磁仿真进行优化，以便出于力图所述障碍物(10)的最小雷达截面的目的而调整所述厚度。
6.如前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于：
-所述障碍物(10)是椭圆柱体；并且
-所述电介质涂层(21)和所述导电涂层(22)大致采取椭圆柱形套管的形状；并且
-对所述电介质涂层(21)做出调整以适应所述障碍物(10)，并且对所述导电涂层(22)做出调整以适应所述电介质涂层的套管。
7.如权利要求6所述的组件，其特征在于，所述障碍物(10)的母线椭圆是圆，并且其特征在于，所述电介质涂层(21)和所述导电涂层(22)大致采取圆柱形套管的形状。
8.如前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，所述障碍物(10)、所述电介质涂层(21)以及所述导电涂层(22)是轻微内弯的。
9.如前述权利要求中任一项所述的组件，其特征在于，所述障碍物(10)和/或所述导电涂层(22)由金属组成。
10.一种交通工具，尤其是海上交通工具、空中交通工具或陆地交通工具，所述交通工具包括如前述权利要求之一所述的组件。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1660282 | 2016-10-24 | ||
| FR1660282A FR3058001B1 (fr) | 2016-10-24 | 2016-10-24 | Revetement pour la dissimulation d'objets au rayonnement electromagnetique d'antennes |
| PCT/FR2017/052938 WO2018078282A1 (fr) | 2016-10-24 | 2017-10-24 | Revêtement pour la dissimulation d'objets au rayonnement électromagnétique d'antennes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109964366A true CN109964366A (zh) | 2019-07-02 |
Family
ID=58347474
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201780065964.6A Pending CN109964366A (zh) | 2016-10-24 | 2017-10-24 | 用于对天线的电磁辐射遮蔽物体的涂层 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11381002B2 (zh) |
| EP (1) | EP3529858B1 (zh) |
| CN (1) | CN109964366A (zh) |
| FR (1) | FR3058001B1 (zh) |
| WO (1) | WO2018078282A1 (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170133754A1 (en) * | 2015-07-15 | 2017-05-11 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Near Field Scattering Antenna Casing for Arbitrary Radiation Pattern Synthesis |
| US11408976B1 (en) * | 2018-04-30 | 2022-08-09 | Fractal Antenna Systems, Inc. | Method and apparatus for detection of a metasurface |
| CN113721210B (zh) * | 2021-09-02 | 2023-07-25 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于吸波-对消的深度rcs减缩超表面设计方法及超表面 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3428923A (en) * | 1967-02-15 | 1969-02-18 | Webb James E | Broadband choke for antenna structure |
| JP2000105802A (ja) * | 1998-09-29 | 2000-04-11 | Toshiba Chem Corp | 非接触データキャリア用アンテナ磁芯及び非接触データキャリア用アンテナ並びに非接触データキャリア |
| US20130017348A1 (en) * | 2010-03-26 | 2013-01-17 | Yamaguchi University | Invisible enclosure |
| CN104321835A (zh) * | 2012-03-22 | 2015-01-28 | 温提集团有限责任公司 | 用于电缆的扼流圈 |
| CN104538744A (zh) * | 2014-12-01 | 2015-04-22 | 电子科技大学 | 一种应用于金属圆柱体的电磁硬表面结构及其构建方法 |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9677856B2 (en) * | 2006-07-25 | 2017-06-13 | Imperial Innovations Limited | Electromagnetic cloaking method |
| US20080165442A1 (en) * | 2006-11-08 | 2008-07-10 | Wenshan Cai | System, method and apparatus for cloaking |
| US7795596B2 (en) * | 2008-01-03 | 2010-09-14 | Alcatel-Lucent Usa Inc. | Cloaking device detection system |
| US20090218523A1 (en) * | 2008-02-29 | 2009-09-03 | Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware | Electromagnetic cloaking and translation apparatus, methods, and systems |
| US7808722B2 (en) * | 2008-07-28 | 2010-10-05 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | System and method for inducing far field transparency with negative index materials |
| US8253639B2 (en) * | 2008-08-25 | 2012-08-28 | Nathan Cohen | Wideband electromagnetic cloaking systems |
| US8315500B2 (en) * | 2008-10-03 | 2012-11-20 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Metamaterial inclusion structure and method |
| US8488247B2 (en) * | 2008-10-06 | 2013-07-16 | Purdue Research Foundation | System, method and apparatus for modifying the visibility properties of an object |
| US8867121B2 (en) * | 2009-10-13 | 2014-10-21 | Kent State University | Methods and apparatus for controlling dispersions of nanoparticles |
| US8643530B2 (en) | 2010-01-05 | 2014-02-04 | The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Apparatus for radar target cloaking using polyhedral conducting mesh |
| JP5375855B2 (ja) * | 2011-02-22 | 2013-12-25 | トヨタ自動車株式会社 | 装飾被膜 |
| US9095043B2 (en) * | 2013-02-27 | 2015-07-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Electromagnetic cloak using metal lens |
| US20160087342A1 (en) | 2013-05-07 | 2016-03-24 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Circuit-loaded conformal metasurface cloak |
| WO2015090351A1 (en) * | 2013-12-16 | 2015-06-25 | Esa European Space Agency | Method for designing a modulated metasurface antenna structure |
| US9912069B2 (en) * | 2014-10-21 | 2018-03-06 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Dual-polarized, broadband metasurface cloaks for antenna applications |
| WO2016073072A1 (en) * | 2014-11-04 | 2016-05-12 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Dielectric-core antennas surrounded by patterned metallic metasurfaces to realize radio-transparent antennas |
| WO2016204821A1 (en) * | 2015-06-15 | 2016-12-22 | Commscope Technologies Llc | Choked dipole arm |
| US20170133754A1 (en) * | 2015-07-15 | 2017-05-11 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Near Field Scattering Antenna Casing for Arbitrary Radiation Pattern Synthesis |
| US9691509B1 (en) * | 2016-07-27 | 2017-06-27 | Archit Lens Technology Inc. | Terahertz-gigahertz system housing capable of minimizing interference and noise |
-
2016
- 2016-10-24 FR FR1660282A patent/FR3058001B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
2017
- 2017-10-24 US US16/342,616 patent/US11381002B2/en active Active
- 2017-10-24 WO PCT/FR2017/052938 patent/WO2018078282A1/fr active Application Filing
- 2017-10-24 CN CN201780065964.6A patent/CN109964366A/zh active Pending
- 2017-10-24 EP EP17804605.8A patent/EP3529858B1/fr active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3428923A (en) * | 1967-02-15 | 1969-02-18 | Webb James E | Broadband choke for antenna structure |
| JP2000105802A (ja) * | 1998-09-29 | 2000-04-11 | Toshiba Chem Corp | 非接触データキャリア用アンテナ磁芯及び非接触データキャリア用アンテナ並びに非接触データキャリア |
| US20130017348A1 (en) * | 2010-03-26 | 2013-01-17 | Yamaguchi University | Invisible enclosure |
| CN104321835A (zh) * | 2012-03-22 | 2015-01-28 | 温提集团有限责任公司 | 用于电缆的扼流圈 |
| CN104538744A (zh) * | 2014-12-01 | 2015-04-22 | 电子科技大学 | 一种应用于金属圆柱体的电磁硬表面结构及其构建方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| BENITTA SHERLIN.J等: "RCS Reduction with RF Cloak", 《2016 INTERNATIONAL CONFERENCE ON WIRELESS COMMUNICATIONS,SIGNAL PROCESSING AND NETWORKING》 * |
| LADISLAU MATEKOVITS等: "Anisotropic cloaking of a metallic cylinder", 《THE 2014 INTERNATIONAL WORKSHOP ON ANTENNA TECHNOLOGY》 * |
| M. I. HUSSEIN: "Electromagnetic Scattering from Elliptical Structure Coated by a Metamaterial", 《2008 INTERNATIONAL CONFERENCE ON MICROWAVE AND MILLIMETER WAVE TECHNOLOGY》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US11381002B2 (en) | 2022-07-05 |
| US20190334248A1 (en) | 2019-10-31 |
| FR3058001B1 (fr) | 2021-09-10 |
| WO2018078282A1 (fr) | 2018-05-03 |
| EP3529858B1 (fr) | 2022-02-23 |
| EP3529858A1 (fr) | 2019-08-28 |
| FR3058001A1 (fr) | 2018-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Monti et al. | Anisotropic mantle cloaks for TM and TE scattering reduction | |
| Selvanayagam et al. | An active electromagnetic cloak using the equivalence principle | |
| US7808441B2 (en) | Polyhedral antenna and associated methods | |
| CN109964366A (zh) | 用于对天线的电磁辐射遮蔽物体的涂层 | |
| US8803107B2 (en) | Material absorbing electromagnetic waves | |
| Martin et al. | The synthesis of wide-and multi-bandgap electromagnetic surfaces with finite size and nonuniform capacitive loading | |
| US7236139B2 (en) | Low backscatter polymer antenna with graded conductivity | |
| WO2017155576A1 (en) | Method for plasma dynamic cancellation for hypersonic vehicles | |
| Namiki et al. | Improving radiation-pattern distortion of a patch antenna having a finite ground plane | |
| WO2013142216A1 (en) | Dielectric artificial impedance surface antenna | |
| US20200028247A1 (en) | Antenna and radiator configurations producing magnetic walls | |
| Wa'il et al. | Determination of surface currents on circular microstrip antennas | |
| US20140139389A1 (en) | Antenna | |
| US11145971B1 (en) | Poynting vector synthesis via coaxially rotating electric and magnetic dipoles | |
| US10008778B2 (en) | Directional array for near vertical incidence skywave antenna | |
| CN112909579A (zh) | 一种多模态轨道角动量天线 | |
| Mohammed et al. | Design of Wraparound Microstrip Antenna using the Method of Moment | |
| Yang et al. | Design and Analysis of Microstrip Antenna Arrays in Composite Laminated Substrates | |
| US10854976B2 (en) | Magnetic dipole antenna with omnidirectional e-plane pattern and method of making same | |
| US11005187B2 (en) | Antenna structure with metamaterial | |
| Jia et al. | Wideband equivalent circuit model and parameter computation of automotive ignition coil based on finite element analysis | |
| Zhuravlev et al. | Antenna system with omnidirectional radiation pattern for systems with phase algorithms of direction finding | |
| Rasheed et al. | Design and Analysis of Pyramidal Conformal Antenna with Circular Sub-arrays Mounted on a Moving Platform | |
| Yeung et al. | Characteristic mode control via partial coating of reactive components on conducting surfaces | |
| WO2021220016A1 (en) | Scattering device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190702 |