专利名称:弹道保护天线罩的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及微波和毫米波天线的保护，并且更具体地涉及可透过辐射线的保护天线罩。其还涉及保护敏感装备免受射弹或其他弹道碎片伤害的装甲板。
背景技术：
天线罩制造者经常使用耐冲击的层压体来为微波天线提供弹道保护。通常，利用由芳族聚酰胺纤维(Kevlar)和聚乙烯纤维(Spectra，HDPE)制成的层压体。国际专利申请WO03/031901公开了一种能用于弹道耐冲击天线罩设计的纳米丹尼尔纤维编织片材。与蜂巢或实心发泡芯材的结构层相组合的耐冲击层压体或编织片材基本上能构成适于针对特定频率段的几乎透明的天线罩。美国专利5,182,155公开了一种基于Spectra和电介质蜂巢的交替层的复合材料天线罩结构。
美国专利4,570,166公开了一种由穿孔金属壁制成的天线罩结构，其中每个孔都由电介质插塞填充，从而提供改进的弹道保护。如果孔隙足够地大以致于单个孔所产生的波导超过其截止频率，那么电磁波就传播穿过厚金属板中的穿孔。这种金属板能由耐弹道钢制成，并且插塞能由耐弹道陶瓷材料(例如氮化硅)制成，从而一起使其具有低微波损失特性。与这种方法相联系的主要缺点是高密度的钢结构导致过度的重量。
现有技术中已知的另一种方法包括同质的陶瓷天线罩。这种天线罩一般用于高温的场合，比如高速射弹。然而，这种天线罩的正确制造相当昂贵。耐冲击的陶瓷材料通常非常硬，导致了天线罩机械加工中的困难。此外，这些陶瓷材料的接触损失对于烧结工艺的细节非常敏感，因此对于整个天线罩而言都需要仔细地控制工艺参数。
非常公知的事实是，嵌入适合的电介质基质中的密集排列的小陶瓷单元能用作有效的弹道护罩。US6,112,635公开了一种复合材料装甲板，其由密堆积的接触式陶瓷圆柱的单层所制成，这些陶瓷圆柱由固化材料捆束起来。EP1,363,101A1公开了一种弹道装甲，其包括由非陶瓷材料堆积起来的非接触式陶瓷单元阵列。然而，US6,112,635和EP1,363,101A1都没有涉及天线罩，并且因此不能应用于微波或毫米波。
图1是示出体现本发明的天线罩的片段的立体图，包括一个由圆柱形层元件和两个电介质层构成的主保护层；图2是主保护层的片段的前视图，其中示出了非接触式圆柱形层元件的三角形栅格的周期性阵列；图3A是本发明的圆柱形层元件的示意图；图3B是本发明的方棱柱形层元件的示意图；图3C是本发明形成为六边形的六棱柱形层元件的示意图；图3D是本发明在一端处具有顶盖的圆柱形层元件的示意图；图3E是本发明在两端处具有顶盖的圆柱形层元件的示意图；图3F是本发明形成为彼此附着的双截头圆锥形的层元件的示意图；图4是示出体现本发明的适于X频带的天线罩的片段的立体图；图5A是由成对的圆柱形层元件所构成的主保护层的结构的示意图；图5B是由成对的单侧加盖的圆柱形层元件所构成的主保护层的结构的示意图；图5C是由成对的形成为截头圆锥的层元件所构成的主保护层的结构的示意图；图5D是根据本发明一个优选实施例的图5A所示主保护层的结构的示意图；图5E是根据本发明一个优选实施例的图5B所示主保护层的结构的示意图；图5F是根据本发明一个优选实施例的图5C所示主保护层的结构的示意图；图6是示出提供弹道保护的天线罩的两个实施例的典型透射率的曲线图。一个曲线是由单个主保护层构成的天线罩的典型透射率，另一个曲线是由具有适合电介质隔板的两个主保护层所构成的天线罩的典型透射率；图7是图6E所示类型的结构具有成对层元件的天线罩的典型的透射性与归一化频率之间关系的曲线图，对于一对层元件之间不同的间隔长度。
具体实施方式在首先要参照的图1和2中，分别示出了根据本发明一个优选实施例的天线罩壁的片段的立体图和前视图。为了简单起见，不同附图中的相同部件在下文中用相同的数字表示，除非另有规定。在图1中，天线罩壁10的片段示出为由主保护层12和附着至主保护层两个表面的两个介电层16构成。主保护层12由相互间隔开且密堆积的圆柱形层元件14所组成。如同从图2中能看出的，层元件14嵌入在介电基质中，该介电基质将所有层元件保持在一起从而形成三角形栅格20的周期性阵列。
介电层16通常由Kevlar或聚乙烯(HDPE)制成并且可以附着在面对弹道威胁的主保护层的前面，以及主保护层的后面。尽管介电层是可选的，但是它们能改进天线罩的弹道性能，阻止碎片(stopfragment)，以及将天线罩调节至可用于最大频带。
层元件14能由其合适机械拉伸强度适于为天线提供保护的任何材料制成。根据本发明，天线的弹道保护用由硬材料制成的层元件获得，比如设计来承受特定质量和速度的射弹的纳米颗粒材料、陶瓷和金属合金。这些材料中的很多由于其介电或导电损失而不适于微波或毫米波应用。因此，这种层元件电镀有高度导电性的材料。导电层的厚度大于两个集肤深度，以降低在这些辐射频率下的导电损失。因此，本发明的层元件具有导电表面。陶瓷被视为优于硬质金属合金，这是因为重量与弹道保护的比例。也能使用镇静钢单元，尽管钢从弹道的角度看可能不是最有效的。然而，钢从电磁角度看是相当有效的选择。任何其它能同时满足所需机械和电磁性能的适合材料都是可以使用的。
层元件相互间隔开并且因此电隔离。如图所示，连续穿该层且由介电基质填充的间隙18形成于主保护层内。由于电磁辐射的电场横向地极化，就没有阻止辐射传播穿过连续间隙的截止效应。然而，主保护层前和后边缘表面(这些表面的大多区域是导电的)上低的有效阻抗由于与真空阻抗相比而言很大，因此通常会导致低的透射率。
为了改进天线罩的透射率，本发明利用了谐振效应。由薄的导电表面中的谐振槽形成的频率选择表面在现有技术中是已知的并且证明了谐振能增强穿过导电表面的透射，直到在谐振频率处的完全透射。本发明基于不同的谐振机理。也就是，层元件的高度(或者纵向层元件的主轴长度，其也是主保护层的厚度)紧密地遵从由公式h＝(2n-1)λg/2给出的谐振条件，其中h是主保护层的宽度，n是整数(n＝1，2，3，...)，λg是在介电基质中传播的幅射的波长。
另外的介电层16用作阻抗变换器，以使得天线罩几乎允许一个频带内的全透射。通常，以0.5dB的透射损失垂直入射的频率带宽可以从谐振频率值的5％至15％变化，如下文所述。
层元件如图3A-3F所示的不同形状给主保护层赋予了特定的透射率值并且确定了所提供的弹道保护程度。本发明的天线罩允许任何纵向主体，包括但不限于图3B-3F所显示的几何形状。除了一个优选实施例所采用且如图3A所示的圆柱形形状之外，如图3B所示的方棱柱形元件构成了表示为方形栅格的周期性阵列。如图3C所示的六边形棱柱构成了三角形栅格。如图3D所示单侧球形加盖的圆柱体或者如图3E所示双侧球形加盖的圆柱体是其它可能的实施例，从弹道的角度看是有益的。此外，横截面本身能沿着层元件主体的主轴变化，如图3F所示。
层元件的几何形状以及相邻元件之间的间隔基本上基于弹道基础(ballistic ground)进行选择。然而，天线罩的工作频率也受到连续间隙的宽度和层元件的形状的影响，并且因此限制了其弹道效率的范围。
在高于C波段的频率下，具有单个主保护层的天线罩可能不能提供足够的弹道保护。本发明允许用与n值更高(n＞1)的谐振公式h＝(2n-1)λg/2相一致的层元件获得必要的弹道保护。然而，与更高谐振(n＞1)相关联的频率带宽要窄于优势谐振(n＝1)的带宽。或者，本发明允许具有适合介电隔层的多重主保护层结构以获得更高水平的弹道保护，同时维持宽的频率带宽。介电隔层的宽度不大于在连续间隙中传播的幅射的波长的一半。
在现在参照的图4中，示出了本发明的另一优选实施例，其适于X波段的辐射频率。这个优选实施例的方形天线罩壁10示出为由两个主保护层12组成，每个主保护层12由圆柱形层元件14的阵列所构成且附着至介电层16的两面。还附着了两个另外的介电层16，一个附着在双重主层结构的前表面，另一个附着在双重主层结构的后表面。
在本发明的另一实施例中，均匀的薄介电层封装如上所述具有导电表面的层元件。层元件在浸入介电基质之前能被牢固地密堆积，同时维持连续间隙的尺寸和形状。根据其内容以参考的方式结合于此的EP1,363,101A1，弹道性能不会受到层元件之间较小的另外间隔的影响。
根据本发明提供弹道保护的天线罩能制造为呈现任何表面曲率。这借助于适合的模具以及还借助于具有不同形状的层元件来实现。在相对高曲率的区域中，允许层元件的分布稍微偏离完美的周期性。然而，对于这种偏离有着限制，偏离的程度与工作频率和带宽相关。也就是，其中出现与相邻元件中心之间的平均距离偏离的区域，在尺寸上应当延伸不超过几个波长。这种区域的总面积也应当小于天线罩总面积的几个百分比。
通常，根据本发明的天线罩的制造中所使用的材料的电磁特点不是足够精确。熟知该领域的人员还知道，层元件的尺寸和一些电磁特点在制造过程中会变化。因此，能够预期在天线罩的开发过程期间或者初始生产阶段期间，天线罩的工作频率偏离其期望值。或者，本发明具有规定工作频率的给定天线罩需要重新设计以使得其具有与其原始值稍有不同的工作频率。根据本发明的方法提供了通过利用前述层元件来形成如下文所述具有不同构造的主保护层从而调节天线罩的工作频率。
现在参照图5A-5C，其中示出了根据另一实施例的主保护层的一对层元件的三个示例性构造。这些例子中的主保护层包括多个成对层元件的平面分布。成对的层元件同轴地布置为一个在另一个的顶上，每个都是另一个的镜像。它们间隔开预定的间隙并且它们的主轴垂直于主保护层。这种构造在下文中称之为成对层元件构造(PLMC)，其不同于前述主保护层的单个层元件构造。
在图5A中，示出了一对层元件的两个圆柱体12A，它们由间隙24A间隔开。在图5B中，示出了一对单侧加盖的圆柱体的两个单侧加盖的圆柱体12B，每个都是另一个的镜像，它们由间隙24B间隔开。类似的，在图5C中，该对层元件是由间隙24C间隔开的截头圆锥12C。每个这种成对层元件之间的间隙都改变了前述连续间隙的几何形状并且因此影响了其谐振频率。然而，等同于两个成对层元件的高度以及它们之间间隙的宽度之和的保护层的宽度，必须紧密地遵从前述谐振条件。也就是，这个宽度必须近似等于由公式w＝(2n-1)λg/2所给出的w值，其中λg是在填充连续间隙的介电材料中传播的电磁幅射的波长，n是整数。然而，层元件的高度也影响天线罩的弹道特点。因此在实践限制内，间隙越宽，所得到的工作频率越低，如下面的例2所述。
现在参照图5D-5F，其中示意性地示出了根据本发明另一优选实施例的相同的示例性PLMC。如图5D-5F所示，金属盘26D、26E和26F布置在每个成对的两个元件之间的间隙中间，并且与成对的元件同轴。盘由与制成层元件的材料相同或不同的材料制成。盘还类似地电镀有相同的导电材料。盘可以与一个或两个成对层元件电隔离或者相接触。因此，通过改变成对层元件之间的间隙宽度以及或者通过改变盘的尺寸，能够改变连续间隙的几何形状并且如例2所述也相应地影响了天线罩的工作频率。
例1根据本发明两个优选实施例构建了实施单个层元件构造的两个不同示例性天线罩。其中一个天线罩实施了如图1所示的单个主保护层，另一个天线罩实施了如图4所示的双重主保护层。对于具体的谐振频率，层元件的高度遵从前述谐振条件h＝λg/2。由连续间隙的谐振效应所规定的对于天线罩设计的限制可以参照图6更好地解释。其中示出了从两个天线罩获得的在谐振频率单元中测量的透射率与归一化工作频率的典型曲线。30所指示的曲线代表单层构造，而双层构造由32所指示的曲线来代表。两个曲线都被归一化为在谐振频率下具有相同的透射率。
例2如再次参照的图5E所示采用单侧加盖的圆柱形层元件的示例性PLMC天线罩根据本发明的一个优选实施例构造。层元件的高度是h＝0.18λg，并且层元件的半径是0.127λg。这种天线罩的工作频率的调节通过改变成对层元件之间的间隙的宽度或者通过改变盘的尺寸来实现。在这个具体例子中，盘的高度等于间隙的宽度以使得盘与两个成对的层元件都接触并且金属盘的半径为0.104λg。天线罩谐振频率大约20％的调节能力在图7中示出。其中示出了各个天线罩的透射率与谐振频率单元中测得的归一化频率的曲线。这些天线罩相对于成对层元件之间存在的相应间隙的大小而变化。曲线50、52、54和56分别代表间隙大小为0.144h、0.180h、0.216h和0.252h的天线罩。
权利要求
1.一种用于给微波和毫米波天线提供保护的方法，包括布置至少一个由基本上纵向的层元件构成的牢固地密堆积的阵列以形成均匀的主保护层，以使得所述基本上纵向的层元件的主轴垂直于所述主保护层，其中所述层元件相互间隔开以在所述阵列中形成连续间隙，并且所述层元件的至少一部分表面能高度地传导电流，并且所述层元件相互电隔离。
2.如权利要求
1的方法，其中使所述主保护层的宽度紧密地遵从由公式w＝(2n-1)λg/2所给出的谐振条件，其中w是所述主保护层的宽度，n是整数，λg是在所述连续间隙中传播的幅射的波长。
3.如权利要求
1的方法，其中还包括用介电材料涂覆所述层元件。
4.如权利要求
1的方法，其中还包括将所述元件浸入至少一种介电基质中。
5.如权利要求
1的方法，还包括将介电层附着至所述主保护层的至少一个表面，其中所述介电层的宽度不超过在介电层中传播的幅射的波长的一半。
6.如权利要求
1的方法，其中所述基本上纵向的层元件还在所述主保护层中成对，并且每个成对的元件具有与另一个成对的元件共线的主轴，并且在每对中，层元件以预定的间隙间隔开。
7.如权利要求
6的方法，还包括在所述预定的间隙中布置具有导电表面的盘。
8.如权利要求
7的方法，其中所述盘与所述成对层元件中的至少一个电隔离。
9.如权利要求
6-8中任一的方法，其中还包括通过改变至少一个选自于由下述项所组成的组中的项的值来调节所述主保护层的工作频率成对的层元件之间的所述间隙的宽度，所述盘的半径，所述盘的高度。
10.一种用于给微波和毫米波天线提供保护的天线罩，包括至少一个主保护层，其中所述主保护层由多个形成密堆积阵列的基本上纵向的元件所构成，并且所述基本上纵向的元件的主轴垂直于所述主保护层的表面，并且所述元件相互间隔开且电隔离以在所述阵列中形成连续间隙，并且所述层元件的至少一部分具有高度导电的表面，并且所述主保护层的宽度紧密地遵从由公式w＝(2n-1)λg/2所给出的谐振条件，其中w是所述主保护层的宽度，n是整数，λg是在所述连续间隙中传播的幅射的波长。
11.如权利要求
10的天线罩，还包括附着到所述主保护层至少一个表面的介电层。
12.如权利要求
11的天线罩，其中所述介电层由选自于由Kevlar和高密度聚乙烯所组成的组中的材料所构成。
13.如权利要求
10的天线罩，其中所述层元件由适合于承受射弹的机械能吸收和高拉伸强度材料制成。
14.如权利要求
10的天线罩，其中所述层元件由选自于由陶瓷、金属合金、纳米颗粒陶瓷和纳米颗粒金属合金所组成的组中的材料所制成。
专利摘要
一种弹道保护天线罩(10)，其由以均匀阵列形式的牢固地密堆积以构成主保护层(12)的基本上纵向的层元件(14)所构成。层元件(14)相互间隔开且电隔离以使得在主保护层(12)中形成连续间隙(18)。层元件(14)由机械能吸收和高拉伸强度的材料制成，比如陶瓷、金属合金、纳米颗粒陶瓷和纳米颗粒金属合金。层元件的表面是导电的，可选地电镀有一层宽度为几个集肤深度的高度导电材料。可选地，介电层(16)附着到主保护层的至少一个表面边缘，以便提高天线罩的弹道特点并提供阻抗配合。通过将层元件分组为主轴共线的成对层元件(12A－12C)，还提供了一种用于调节天线罩工作频率的方法。可选地，具有导电表面的盘(26D－26F)插入成对层元件之间的间隙中。
文档编号H01Q15/00GK1993862SQ200580025120
公开日2007年7月4日 申请日期2005年7月20日
发明者艾夫拉汉姆·弗伦克尔 申请人:安纳发－电磁溶液有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan