防雷天线罩系统的制作方法
防雷天线罩系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请设及天线罩，更具体而言设及天线罩，其对预定频带内的无线电波是透明 的，还保护被包在天线罩后的天线和电子设备免受雷击和电磁脉冲。
【背景技术】
[0002] 天线包括精密的组件，当暴露于周围环境条件时，其可被损坏。因此，天线经常被 安置在天线罩中，其阻止物理物质一-例如碎片、降水、气流等等一-直接物理接触天线组 件。因此，天线罩起对潜在有害物质的物理屏蔽的作用，同时仍允许电磁福射特别是无线电 波来往于受保护的天线的传播。
[0003] 交通工具，例如飞机、水上交通工具、陆上交通工具和宇宙飞船，通常为了各种目 的（例如气象和/或导航）使用雷达。雷达天线通常被安置在天线罩中，其对由雷达的运 行要求规定的频带内的雷达波是透明的。例如，飞机的头锥可安置在射频频谱的X频段内 运行的气象雷达，从而需要头锥被配置为X频段调谐的天线罩。
[0004] 雷击和电磁脉冲可造成灵敏的电子设备例如雷达天线的显著损坏。因为飞机易受 雷击，所W采用引入对飞机天线罩的雷击保护的步骤。作为实例，雷电分流条被添加到飞机 天线罩的外部W引离雷电生成的电流。作为另一个实例，高度导电的金属筛（screening) 被直接嵌入形成飞机天线罩的复合材料中。然而，在两个实例中，必须在防雷装置中形成缝 隙W提供雷达波可通过其传播的窗口。不幸的是，该样的窗口致使雷达天线易受雷击和电 磁脉冲。
[0005] 因此，本领域技术人员继续在天线罩领域中的研究和开发努力。
【发明内容】
[0006] 在一个实施方式中，公开的天线罩系统可包括天线--该天线在预定频带内运 行一-和限定了封闭容积的天线罩，其中天线被安置在封闭容积内，天线罩包括具有外表 面和内表面的分层结构，该分层结构包括接近外表面的外部结构层和外部结构层下方的核 屯、层，该核屯、层包括置于人造电介质层之间的法拉第笼层。
[0007] 在另一个实施方式中，公开的是保护天线的方法，其中天线在预定频带内运行。该 方法可包括W下步骤；（1)装配天线罩，其包括具有外表面和内表面的分层结构，该分层结 构包括接近外表面的外部结构层，接近内表面的内部结构层，和外部和内部结构层之间的 核屯、层，核屯、层包括置于人造电介质层之间的法拉第笼层；（2)选择法拉第笼层和人造电 介质层，使得天线罩对预定频带内的无线电波基本上是透明的；和（3)将天线安置在天线 罩内。
[000引根据下列【具体实施方式】、附图和所附的权利要求，公开的防雷天线罩系统和方法 的其它实施方式将变得显而易见。
【附图说明】
[0009] 图1是公开了防雷天线罩系统的一个实施方式的横截面示意图；
[0010] 图2是图1的系统的天线罩的一部分的横截面示意图；
[0011] 图3A-3L显示了图2的天线罩的人造电介质层的各种任选的配置；
[0012] 图4A-4G显示了图2的天线罩的法拉第笼层的各种任选的配置；
[0013] 图5是第一实例天线罩的透射对频率的图解说明；
[0014]图6是第二实例天线罩的透射对频率的图解说明；
[0015] 图7是第S实例天线罩的透射对频率的图解说明；和
[0016] 图8是描绘了公开的保护天线的方法的一个实施方式的流程图。
【具体实施方式】
[0017] 现在已经发现，天线罩可由耐雷法拉第笼材料构成，其完全封闭相关联的天线，而 不需要在耐雷法拉第笼材料中形成物理窗口W允许无线电波传播。因为不需要物理窗口， 所W公开的天线罩系统可显著地提高雷击和电磁脉冲保护。通过将至少一层耐雷法拉第笼 材料置于至少两个人造电介质层之间，可实现该样的显著结果，其中人造电介质层的有效 电容和/或耐雷法拉第笼材料的有效电感，W及其它可能的参数，可被调谐W致使天线罩 对期望的频带内的无线电波是透明的。
[0018] 参阅图1，公开的防雷天线罩系统的一个实施方式一-通常指定10,可包括天线罩 12和天线14。天线罩12可限定封闭容积16,并且天线14可被安置在天线罩12的封闭容 积16内。任选地，通过支撑结构18,例如杆、塔、缆索、枢轴等等，天线14可被支撑在天线罩 12内。
[0019] 如图1所示，天线罩12和相关联的天线14可被安装在交通工具20上，其可W是 陆地交通工具（例如飞机、船/舰或陆上交通工具）或空间交通工具（例如宇宙飞船或卫 星）。作为实例，天线罩12可形成固定翼飞机的头锥。作为另一个实例，天线罩12可形成 为与固定翼或旋翼飞机的机身相连的泡形罩。然而，天线罩12和相关联的天线14也可相 对于地球静止（虽然天线14仍可在天线罩12内移动），例如固定于地面、建筑或其它结构 Afr Afr 寸寸〇
[0020] 天线14可W是发射（箭头A)、接收（箭头B)或既发射又接收（箭头A和B)无线 电波22的任何装置或系统。如本文所使用，"无线电波"或"多个无线电波"广泛地指跨越 从大约抓Z至大约3000GHz的电磁频谱部分内的电磁福射。天线14可W是静止的或移动 的（例如旋转的）。作为具体的非限制性的实例，天线14可W是无线电天线。作为另一个 具体的非限制性的实例，天线14可W是微波天线。作为还另一个具体的非限制性的实例， 天线14可W是雷达天线。
[0021] 天线14可在电磁频谱的预定频带内运行。作为具体的非限制性的实例，天线14 可在范围从大约5GHz至大约50GHz的频率下运行。作为另一个具体的非限制性的实例，天 线14可在X频段（例如从大约8GHz至大约12GHz)内运行。作为另一个具体的非限制性 的实例，天线14可在Ku频段（例如从大约12GHz至大约18GHz)内运行。作为还另一个具 体的非限制性的实例，天线14可在Ka频段（例如从大约24GHz至大约40GHz)内运行。
[0022]天线罩12可具有由天线14的尺寸和形状决定的尺寸和形状。具体而言，天线罩 12的尺寸和形状可足W完全封闭天线14,然而，如果需要，允许天线14在天线罩12的封闭 容积16内移动。虽然图1显示了卵形的天线罩12,但是本领域技术人员将理解天线罩的形 状可W广泛地改变。
[0023] 现在参阅图2,天线罩12可构建为具有外表面32和内表面34的分层结构30。分 层结构30的外部结构层36可被置于接近外表面32,分层结构30的内部结构层38可被置 于接近内表面34,和分层结构30的核屯、层40可被置于外部结构层36和内部结构层38之 间。外部和内部结构层36、38可形成天线罩12的物理结构，而核屯、层40可包含法拉第笼 50层和人造电介质48层。
[0024] 在不偏离本公开内容的范围的情况下，本领域技术人员将理解，可进行图2中所 示的分层结构30的一般配置（外部结构层一核屯、层一内部结构层）的变化。在一个变化 中，天线罩12的分层结构30可只包括外部结构层36和核屯、层40。在另一个变化中，天线 罩12的分层结构30可只包括内部结构层38和核屯、层40。
[0025] 仍参阅图2,在一个具体的实施中，公开的天线罩12的分层结构30可包括外表皮 层42A、42B、42C、42D(通常为外表皮层42)，间隔层44A、44B(通常为间隔层44)，内表皮层 46A、46B、46C、46D(通常为内表皮层46)，人造电介质层48A、48B、48C(通常为人造电介质层 48)和法拉第笼层50A、50B(通常为法拉第笼层50)。外表 皮层42A、42B和间隔层44A可形 成分层结构30的外部结构层36。外表皮层42C、42D和间隔层44B可形成分层结构30的内 部结构层38。人造电介质层48A、48B、48C，内表皮层464、468、46(：、4抓和法拉第笼层50八、 50B可形成分层结构30的核屯、层40。
[0026] 虽然图2示出了总计十五层构成了分层结构30,但是在其它实施中，可使用额外 的层或较少的层。作为一个替代方案，核屯、层40可包括=个或更多个法拉第笼层50和四 个或更多个人造电介质层48,其中法拉第笼层50置于至少两个人造电介质层48之间。作 为另一个替代方案，核屯、层40可包括在两个人造电介质层48之间的一个法拉第笼层50。 其它替代方案将变得对本领域技术人员显而易见，并且将不导致偏离本公开内容的范围。
[0027] 外表皮层42可由适于形成天线罩的多种表皮材料形成。虽然考虑应用飞行测试 的和被认可的材料，但是许多选择是目前可用的，并且其它选择可在未来进行开发。作为一 个一般的非限制性的实例，外表皮层42可由复合材料形成或可包括复合材料。作为一个具 体的非限制性的实例，外表皮层42可由树脂浸溃玻璃纤维布形成或可包括树脂浸溃玻璃 纤维布。
[002引被选择用于外表皮层42的表皮材料可W是电介质。作为一个一般的实例，外表皮 42可具有范围从大约0. 5至大约5的相对介电常数（无量纲；在室温和1曲Z下测量）。作 为一个具体的实例，外表皮层42可具有大约3. 0的相对介电常数（无量纲；在室温和1曲Z 下测量）。
[0029] 外表皮层42可具有横截面厚度Ti，其取决于外表皮42的组成，W及其它可能的因 素。横截面厚度Ti可足W为天线罩12给予结构刚度。在一个实例中，外表皮层42可具有 范围从大约0. 001英寸至大约0. 1英寸的横截面厚度Ti。在另一个实例中，外表皮层42可 具有范围从大约0. 01英寸至大约0. 09英寸的横截面厚度Ti。在还另一个实例中，外表皮 层42可具有范围从大约0. 02英寸至大约0. 05英寸的横截面厚度Ti。
[0030] 间隔层44可分隔开相邻的外表皮层42。为减小天线罩12的总重量，被选择用于 间隔层44的材料可比被选择用于外表皮层42的材料具有更低的密度。作为一个具体的非 限制性的实例，间隔层44可由复合泡沫塑料形成或可包括复合泡沫塑料。
[0031] 被选择用于间隔层44的材料可W是电介质。作为一个一般的实例，间隔层44可 具有范围从大约0. 5至大约5的相对介电常数（无量纲；在室温和1曲Z下测量）。作为一 个具体的实例，间隔层44可具有大约1. 5的相对介电常数（无量纲；在室温和IkHz下测 量）。
[003引间隔层44可具有横截面厚度T2,其可取决于间隔层44的组成，W及其它可能的因 素。间隔层44的横截面厚度T,可大于外表皮层42的横截面厚度T1，使得间隔层44可分 隔开外表皮层42,形成外部结构层36和内部结构层38。在一个实例中，间隔层44的横截 面厚度T,可大于外表皮层42的横截面厚度T1大约5至大约30倍。在另一个实例中，间隔 层44的横截面厚度T,可大于外表皮层42的横截面厚度T1大约10至大约20倍。在还另 一个实例中，间隔层44的横截面厚度T,可大于外表皮层42的横截面厚度T1大约13至大 约18倍。作为一个具体的实例，间隔层44可具有范围从大约0. 1英寸至大约1英寸的横 截面厚度T,。作为另一个具体的实例，间隔层44可具有范围从大约0. 2英寸至大约0. 5英 寸的横截面厚度T,。
[0033] 通过交替人造电介质层48、内表皮层46和法拉第笼层50,可形成核屯、层40,使得 内表皮层46被置于相邻的人造电介质层48和法拉第笼层50之间，并且使得每个法拉第笼 层50被置于两个人造电介质层48之间。然而，核屯、层40可不同的方式装配，只要所 有的法拉第笼层50在两个人造电介质层48之间。
[0034] 内表皮层46可由与用于形成外表皮层42的相同或相似的表皮材料形成。作为一 个一般的非限制性的实例，内表皮46可由复合材料形成或可包括复合材料。作为一个具体 的非限制性的实例，内表皮层46可由树脂浸溃玻璃纤维布形成或可包括树脂浸溃玻璃纤 维布。
[0035] 被选择用于内表皮层46的表皮材料可W是电介质。作为一个一般的实例，内表皮 层46可具有范围从大约0. 5至大约5的相对介电常数（无量纲；在室温和1曲Z下测量）。 作为一个具体的实例，内表皮层46可具有大约3. 0的相对介电常数（无量纲；在室温和 1曲Z下测量）。
[0036] 内表皮层46可具有横截面厚度Tg，其取决于内表皮层46的组成，W及其它可能的 因素。内表皮层46的横截面厚度Ts可小于外表皮层42的横截面厚度T1。在一个实例中， 内表皮层46的横截面厚度Ts的范围可W是大约25%至大约100%的外表皮层42的横截 面厚度Ti。在另一个实例中，内表皮层46的横截面厚度Ts的范围可W是大约40%至大约 60%的外表皮层42的横截面厚度Ti。作为一个具体的非限制性的实例，内表皮层46的横 截面厚度Ts可W是大约0. 01英寸。
[0037] 使用形成具有有效电容的人造电介质的任何可用的技术，可形成人造电介质层 48。本领域技术人员将理解，在研究和开发阶段，人造电介质层48的有效电容可W是可修 改的参数，W调谐天线罩12至具体的频带。
[003引参阅图3A，每个人造电介质层48可包括导电膜片（patch)62的阵列60。阵列60 中的每个膜片62与相邻的膜片62可被间隙64隔开。
[0039] 膜片62的组成和厚度可W是设计考虑事项。例如，膜片62可由高度导电金属材 料，例如铜、银等等形成。膜片62的横截面厚度T4的范围可W是从大约0. 0001英寸至大 约0. 01英寸，例如从大约0. 0005英寸至大约0. 0015英寸。
[0040] 间隙64可具有间距S，其可W是亚波长的。例如，间隙64的间距S可W小于无线 电波22的相关波长（图1)，如无线电波22的相关波长的大约二分之一或更小，或甚至无线 电波22的相关波长的十分之一或更小。
[0041] 可使用任何可用的技术形成阵列60。作为一个具体的非限制性的实例，通过在膜 例如金属材料的膜中蚀刻间隙64,从而留下膜片62的阵列60,可形成阵列60。考虑使用 激光蚀刻和化学蚀刻，但是可使用能够形成具有期望形态的膜片62的任何技术（蚀刻或其 它）。
[00创仍参阅图3A，人造电介质层48的有效电容Cwf可使用方程式1计算，如下：
[0043]
方程式1
[0044]其中￡。是自由空间的介电常数，ewb是周围电介质材料（表皮层仏46)的介电 常数，S是间隙64的间距（见图3A)，和D是每个膜片62的长度L(图3A)加上膜片62两 边的间距S。因此，通过修改膜片62的尺寸、膜片之间的间隙64的尺寸和/或相邻的表皮 层42、46的组成，可修改人造电介质层48的有效电容。
[0045] 作为一个实例，每个人造电介质层48的有效电容的范围可从大约0.OlpF至大约 IpF。作为另一个实例，每个人造电介质层48的有效电容的范围可从大约0. 02pF至大约 〇.8pF。作为还另一个实例，每个人造电介质层48的有效电容的范围可从大约0.IpF至大 约 0. 5pF。
[0046] 此时，本领域技术人员将理解，图3A所示的正方形膜片62的阵列60只是可用作 人造电介质层48的合 适的人造电介质的一个具体的实例。如图3B-化所示，可使用多种尺 寸和周期性的膜片。也考虑许多其它膜片形态，但其多到无法完全举例说明。
[0047] 作为使用膜片62的替代方案，通过在基体材料（例如酪醒树脂）中嵌入导电夹杂 物，可形成人造电介质层48。导电夹杂物可W是分散在树脂基体中的金属纤维、金属楠圆 体、金属球体等等。与图3A所示的膜片实例相似，树脂基体中导电夹杂物的尺寸和间距可 控制由其形成的人造电介质层48的有效电容。
[0048] 回顾参阅图2,法拉第笼层50可由耐雷法拉第笼材料形成，使得法拉第笼层50具 有有效电感。本领域技术人员将理解，在研究和开发阶段，法拉第笼层50的有效电感可W 是可选择的参数（例如通过适当的材料选择或设计），W调谐天线罩12至具体的频带。
[0049] 在持续的直流通路中的导电材料的任何网络可适于形成法拉第笼材料。如果当法 拉第笼材料由高度导电材料（例如铜、银或侣）形成，并且法拉第笼材料的基重和横截面厚 度具有足够的量级时，法拉第笼材料可变得耐雷，从而致使该材料适合用于公开的天线罩 12的法拉第笼层50。耐雷法拉第笼材料可允许雷电感生（或EMP-感生）电流沿着材料流 动，而不显著地燃烧材料，特别是在远离雷电击附着点的位置处。
[0050] 参阅图4A，在一个具体的实施中，法拉第笼层50可由高度导电金属材料的非织造 金属网70形成或可包括高导电金属材料的非织造金属网70。作为一个具体的非限制性的 实例，形成法拉第笼层50的非织造金属网70可W是ASTROST艮IKE'k'筛，其是可购自康 涅狄格州切斯特市的Astroseal Products Mfg. Co巧oration的耐雷法拉第笼材料。
[0化1] 适于形成网70的高度导电材料的非限制性的实例包括铜、侣和银。网70的横截面 厚度Te的范围可从大约0. 001英寸至大约0. 01英寸，例如从大约0. 003英寸至大约0. 007 英寸。
[0化2] 法拉第笼层50的网70的有效电感L,ff可使用方程式2计算，如下：
[0053]
方程式2
[0化4]其中y。是自由空间的磁导率，y,ub是周围电介质材料（表皮层46)的磁导率，D是网70的每个分离单元（例如交叉处）的长度，和W是形成网70的导电材料的宽度。因 此，通过修改网70的配置和/或相邻的表皮层46的组成，可修改法拉第笼层50的有效电 感。
[0化5] 作为一个实例，每个法拉第笼层50的有效电感的范围可从大约50抑至大约 5(K)pH。作为另一个实例，每个法拉第笼层50的有效电感的范围可从大约100抑至大约 4(K)pH。作为还另一个实例，每个法拉第笼层50的有效电感的范围可从大约200抑至大约 300抑。
[0056] 形成网70的导电材料的宽度w(方程式。可^是亚波长的。例如，宽度W可小于 无线电波22 (图1)的相关波长，如无线电波22的相关波长的大约二分之一或更小，或甚至 无线电波22的相关波长的十分之一或更小。
[0化7] 此时，本领域技术人员将理解，图4A所示的具有交叉线配置的网70只是可用于或 用作法拉第笼层50的合适的耐雷法拉第笼材料的一个具体的实例。在不偏离本公开内容 的范围的情况下，可使用具有多种形态的导电网络。图4B-4G显示了可用于（或用作）公 开的天线罩12的分层结构30的法拉第笼层50的网和其它导电网络的数个合适的可选实 例。
[0化引根据下列实施例将显而易见；人造电介质层48和法拉第笼层50的设计/选择，W及形成天线罩12的分层结构30的其它层42、44、46的介电常数的考虑，可帮助调谐天线罩 12至具体的频带。因此，天线罩12可被改造W适应相关联天线14的无线电波22 (图1)， 尽管其被完全封闭在保护性耐雷法拉第笼材料中。
[0化9] 实施例
[0060] 实施例1
[0061](天线罩调谐至X频段）
[0062] 设计如图2所示的十五层天线罩。表1提供了组成和厚度数据。
[0063]表1
[0064]
[00 化]
[0066] 使用专用的航空航天飞行测试的树脂浸溃玻璃纤维布。树脂浸溃玻璃纤维布层 (外表皮层424、428、42(：、420和内表皮层464、468、46(：、460)具有大约3.3的介电常数（无 量纲；在室温和1曲Z下测量）。
[0067] 使用专用的航空航天飞行测试的复合泡沫塑料。复合泡沫塑料层（间隔层44A、 44B)具有大约1. 9的介电常数（无量纲；在室温和1曲Z下测量）。
[0068] 人造电介质层被配置为如图3A所示的金属膜片的阵列。阵列中膜片的尺寸和间 距为每个人造电介质层提供了大约0. 5pF的有效电容。
[0069] ASTROST民IKE'"'筛是铜网筛，并且获取自康涅狄格州切斯特市的Astroseal ProductsMfg.Co巧oration。AST民OSTRIKE'k筛被测出具有大约280pH的有效电感。
[0070] 如图5所示，在范围从大约8.5GHz至大约9. 5GHz的频带内--其相当于X频段， 实施例1的天线罩的透射对频率的图显示几乎100%透射。
[0071] 实施例2
[0072](天线罩调谐至Ku频段）
[0073] 设计如图2所示的十五层天线罩。表2提供了组成和厚度数据。
[0074]表2
[0075]
[0076]
[0077]实施例1中使用的相同的专用的航空航天飞行测试的树脂浸溃玻璃纤维布也在 实施例2中使用。树脂浸溃玻璃纤维布层（外表皮层42A、42B、42C、42D和内表皮层46A、 46B、46C、46D)具有大约3. 3的介电常数（无量纲；在室温和1曲Z下测量）。
[007引实施例1中使用的专用的航空航天飞行测试的复合泡沫塑料也在实施例2中使 用。复合泡沫塑料层（间隔层44A、44B)具有大约1. 9的介电常数（无量纲；在室温和1曲Z 下测量）。
[0079] 人造电介质层被配置为如图3A所示的金属膜片的阵列。层48A和48C的阵列中 的膜片的尺寸和间距提供了大约0. 15pF的有效电容。层48B的阵列中的膜片的尺寸和间 距提供了大约0. 25pF的有效电容。
[0080] 实施例1中使用的相同的ASTROSTRIKEK'筛也在实施例2中使用。 AST民OSTRIKE'ki筛被测出具有大约280pH的有效电感。
[OOW] 如图6所示，在范围从大约15GHz至大约17. 5GHz的频带内--其相当于而频段， 实施例2的天线罩的透射对频率的图显示几乎100%透射。
[0082] 实施例3
[0083](天线罩调谐至Ka频段）
[0084] 设计如图2所示的十五层天线罩。表3提供了组成和厚度数据。
[0085]表3
[0086]
[0087]
[008引实施例1和2中使用的相同的专用的航空航天飞行测试的树脂浸溃玻璃纤维布也 在实施例3中使用。树脂浸溃玻璃纤维布层（外表皮层424、428、42(：、420和内表皮层46八、 46B、46C、46D)具有大约3. 3的介电常数（无量纲；在室温和1曲Z下测量）。
[0089] 实施例1和2中使用的专用的航空航天飞行测试的复合泡沫塑料也在实施例3中 使用。复合泡沫塑料层（间隔层44A、44B)具有大约 1. 9的介电常数（无量纲；在室温和 1曲Z下测量）。
[0090] 人造电介质层配置为如图3A所示的金属膜片的阵列。层48A和48C的阵列中的 膜片的尺寸和间距提供了大约0. 〇25pF的有效电容。层48B的阵列中的膜片的尺寸和间距 提供了大约0. 05pF的有效电容。
[0091] 实施例1和2中使用的相同的astrostrike?筛也用于实施例3。 ASTROST民IKE'"'節被测出具有大约28化H的有效电感。
[009引如图7所示，在范围从大约30GHz至大约36GHz的频带内--其相当于频段，实 施例3的天线罩的透射对频率的图显示近乎100%透射。
[0093] 因此，公开的天线罩系统10可包括被耐雷法拉第笼材料完全封闭天线罩12(不需 要窗口）。相对于法拉第笼层50,天线罩12的分层结构30中的人造电介质层48的存在和 配置可致使天线罩12对运行安置在天线罩12中的天线14需要的预定频带中的无线电波 22是透明的。因此，天线罩12可对许多雷击或电磁脉冲的破坏性频率不透明，而天线罩12 可对天线14的运行频率透明。
[0094] 参阅图8,还公开的是保护天线，例如雷达天线的方法，通常指定为100。天线可在 预定频带下运行。方法100可提供物理保护免受物理物质，例如碎片、降水、气流等等，W及 提供保护免受雷击、电磁脉冲和其它潜在的破坏性电或电磁事件。
[0095] 如方框102所示，方法可开始于装配天线罩的步骤。天线罩可包括具有外表面和 内表面的分层结构。分层结构可包括接近外表面的外部结构层，接近内表面的内部结构层， 和外部和内部结构层之间的核屯、层。核屯、层可包括置于人造电介质层之间的法拉第笼层， 如上面更详细描述的。
[0096] 在方框104,可选择法拉第笼层和人造电介质层，使得天线罩对预定频带内的无线 电波基本上是透明的。因此，法拉第笼层可完全封闭天线，而不需要窗口，从而排除许多有 害频率，但仍允许天线运行。
[0097] 在方框106,天线可被安置在天线罩内。例如，天线罩和天线可被安装在例如飞机 的交通工具上。
[009引尽管已经显示和描述了公开的防雷天线罩系统的多种实施方式，但是在阅读说明 书后，本领域技术人员可想到改进。本申请包括该样的改进，并且只受限于权利要求的范 围。
[0099] 根据本公开内容的一个方面，提供了天线罩系统，其包括天线，所述天线在预定频 带内运行；和限定了封闭容积的天线罩，其中所述天线被安置在所述封闭容积内，所述天线 罩包括具有外表面和内表面的分层结构，所述分层结构包括接近所述外表面的外部结构层 和所述外部结构层下方的核屯、层，所述核屯、层包括置于人造电介质层之间的法拉第笼层。
[0100] 本文描述的天线罩系统，其中所述预定频带在大约5GHz至大约50GHz的范围内。
[0101] 本文描述的天线罩系统，其中所述外部结构层包括外表皮层和间隔层。
[0102] 本文描述的天线罩系统，其中所述外表皮层包括树脂浸溃玻璃纤维布。
[0103] 本文描述的天线罩系统，其中所述间隔层包括复合泡沫塑料。
[0104] 本文描述的天线罩系统，其中所述外表皮层和所述间隔层包括电介质。
[01化]本文描述的天线罩系统，其中所述外部结构层包括置于两个外表皮层之间的间隔 层。
[0106] 本文描述的天线罩系统，其中所述核屯、层进一步包括内表皮层。
[0107] 本文描述的天线罩系统，其中所述核屯、层包括多个法拉第笼层，其与多个人造电 介质层交替。
[0108] 本文描述的天线罩系统，其中所述法拉第笼层包括耐雷法拉第笼材料。
[0109] 本文描述的天线罩系统，其中所述法拉第笼层包括金属材料的非织造网。
[0110] 本文描述的天线罩系统，其中所述金属材料包括铜或侣。
[0111] 本文描述的天线罩系统，其中所述法拉第笼层具有范围从大约50抑至大约5(K)pH 的有效电感。
[0112] 本文描述的天线罩系统，其中所述法拉第笼层完全封闭所述天线。
[0113] 本文描述的天线罩系统，其中人造电介质层具有范围从大约O.OlpF至大约IpF的 有效电容。
[0114] 本文描述的天线罩系统，其中每个所述人造电介质层包括膜片的阵列。
[0115] 本文描述的天线罩系统，其中所述分层结构进一步包括接近所述内表面的内部结 构层，其中所述核屯、层被置于所述内部结构层和所述外部结构层之间。
[0116] 本文描述的天线罩系统，其中所述内部结构层包括间隔层。
[0117] 本文描述的天线罩系统，其中所述天线罩对包括所述预定频带的频带内的无线电 波是基本上透明的。
[0118] 根据本发明的另一个方面，提供了保护天线的方法，所述天线在预定频带内运行， 所述方法包括W下步骤：装配天线罩，其包括具有外表面和内表面的分层结构，所述分层结 构包括接近所述外表面的外部结构层；接近所述内表面的内部结构层；和所述外部结构层 和所述内部结构层之间的核屯、层，所述核屯、层包括置于人造电介质层之间的法拉第笼层； 选择所述法拉第笼层和所述人造电介质层，使得所述天线罩对所述预定频带内的无线电波 是基本上透明的；和将所述天线安置在所述天线罩内。
【主权项】
1. 天线罩系统，其包括： 天线，所述天线在预定频带内运行；和 天线罩，其限定了封闭容积，其中所述天线被安置在所述封闭容积内，所述天线罩包括 具有外表面和内表面的分层结构，所述分层结构包括： 外部结构层，其接近所述外表面；和 核心层，其在所述外部结构层下方，所述核心层包括置于人造电介质层之间的法拉第 笼层。2. 根据权利要求1所述的天线罩系统，其中所述预定频带在大约5GHz至大约50GHz的 范围内。3. 根据任意前述权利要求所述的天线罩系统，其中所述外部结构层包括外表皮层和间 隔层。4. 根据权利要求3所述的天线罩系统，其中所述外表皮层包括树脂浸渍的玻璃纤维 布。5. 根据权利要求3所述的天线罩系统，其中所述间隔层包括复合泡沫塑料。6. 根据权利要求3所述的天线罩系统，其中所述外表皮层和所述间隔层包括电介质。7. 根据任意前述权利要求所述的天线罩系统，其中所述外部结构层包括置于两个外表 皮层之间的间隔层。8. 根据任意前述权利要求所述的天线罩系统，其中所述核心层进一步包括内表皮层。9. 根据权利要求1所述的天线罩系统，其中所述核心层包括多个法拉第笼层，其与多 个人造电介质层交替。10. 根据权利要求1所述的天线罩系统，其中所述法拉第笼层包括耐雷法拉第笼材料。
【专利摘要】本发明的名称为防雷天线罩系统。天线罩系统，其包括天线——该天线在预定频带内运行——和限定了封闭容积的天线罩，其中天线被安置在封闭容积内，天线罩包括具有外表面和内表面的分层结构，分层结构包括接近外表面的外部结构层和外部结构层下方的核心层，核心层包括置于人造电介质层之间的法拉第笼层。
【IPC分类】H01Q1/42
【公开号】CN104901008
【申请号】CN201510093735
【发明人】M·M·洛尔
【申请人】波音公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月3日
【公告号】CA2873172A1, EP2916387A1, US9123998, US20150255862
【技术领域】
[0001] 本申请设及天线罩，更具体而言设及天线罩，其对预定频带内的无线电波是透明 的，还保护被包在天线罩后的天线和电子设备免受雷击和电磁脉冲。
【背景技术】
[0002] 天线包括精密的组件，当暴露于周围环境条件时，其可被损坏。因此，天线经常被 安置在天线罩中，其阻止物理物质一-例如碎片、降水、气流等等一-直接物理接触天线组 件。因此，天线罩起对潜在有害物质的物理屏蔽的作用，同时仍允许电磁福射特别是无线电 波来往于受保护的天线的传播。
[0003] 交通工具，例如飞机、水上交通工具、陆上交通工具和宇宙飞船，通常为了各种目 的（例如气象和/或导航）使用雷达。雷达天线通常被安置在天线罩中，其对由雷达的运 行要求规定的频带内的雷达波是透明的。例如，飞机的头锥可安置在射频频谱的X频段内 运行的气象雷达，从而需要头锥被配置为X频段调谐的天线罩。
[0004] 雷击和电磁脉冲可造成灵敏的电子设备例如雷达天线的显著损坏。因为飞机易受 雷击，所W采用引入对飞机天线罩的雷击保护的步骤。作为实例，雷电分流条被添加到飞机 天线罩的外部W引离雷电生成的电流。作为另一个实例，高度导电的金属筛（screening) 被直接嵌入形成飞机天线罩的复合材料中。然而，在两个实例中，必须在防雷装置中形成缝 隙W提供雷达波可通过其传播的窗口。不幸的是，该样的窗口致使雷达天线易受雷击和电 磁脉冲。
[0005] 因此，本领域技术人员继续在天线罩领域中的研究和开发努力。
【发明内容】
[0006] 在一个实施方式中，公开的天线罩系统可包括天线--该天线在预定频带内运 行一-和限定了封闭容积的天线罩，其中天线被安置在封闭容积内，天线罩包括具有外表 面和内表面的分层结构，该分层结构包括接近外表面的外部结构层和外部结构层下方的核 屯、层，该核屯、层包括置于人造电介质层之间的法拉第笼层。
[0007] 在另一个实施方式中，公开的是保护天线的方法，其中天线在预定频带内运行。该 方法可包括W下步骤；（1)装配天线罩，其包括具有外表面和内表面的分层结构，该分层结 构包括接近外表面的外部结构层，接近内表面的内部结构层，和外部和内部结构层之间的 核屯、层，核屯、层包括置于人造电介质层之间的法拉第笼层；（2)选择法拉第笼层和人造电 介质层，使得天线罩对预定频带内的无线电波基本上是透明的；和（3)将天线安置在天线 罩内。
[000引根据下列【具体实施方式】、附图和所附的权利要求，公开的防雷天线罩系统和方法 的其它实施方式将变得显而易见。
【附图说明】
[0009] 图1是公开了防雷天线罩系统的一个实施方式的横截面示意图；
[0010] 图2是图1的系统的天线罩的一部分的横截面示意图；
[0011] 图3A-3L显示了图2的天线罩的人造电介质层的各种任选的配置；
[0012] 图4A-4G显示了图2的天线罩的法拉第笼层的各种任选的配置；
[0013] 图5是第一实例天线罩的透射对频率的图解说明；
[0014]图6是第二实例天线罩的透射对频率的图解说明；
[0015] 图7是第S实例天线罩的透射对频率的图解说明；和
[0016] 图8是描绘了公开的保护天线的方法的一个实施方式的流程图。
【具体实施方式】
[0017] 现在已经发现，天线罩可由耐雷法拉第笼材料构成，其完全封闭相关联的天线，而 不需要在耐雷法拉第笼材料中形成物理窗口W允许无线电波传播。因为不需要物理窗口， 所W公开的天线罩系统可显著地提高雷击和电磁脉冲保护。通过将至少一层耐雷法拉第笼 材料置于至少两个人造电介质层之间，可实现该样的显著结果，其中人造电介质层的有效 电容和/或耐雷法拉第笼材料的有效电感，W及其它可能的参数，可被调谐W致使天线罩 对期望的频带内的无线电波是透明的。
[0018] 参阅图1，公开的防雷天线罩系统的一个实施方式一-通常指定10,可包括天线罩 12和天线14。天线罩12可限定封闭容积16,并且天线14可被安置在天线罩12的封闭容 积16内。任选地，通过支撑结构18,例如杆、塔、缆索、枢轴等等，天线14可被支撑在天线罩 12内。
[0019] 如图1所示，天线罩12和相关联的天线14可被安装在交通工具20上，其可W是 陆地交通工具（例如飞机、船/舰或陆上交通工具）或空间交通工具（例如宇宙飞船或卫 星）。作为实例，天线罩12可形成固定翼飞机的头锥。作为另一个实例，天线罩12可形成 为与固定翼或旋翼飞机的机身相连的泡形罩。然而，天线罩12和相关联的天线14也可相 对于地球静止（虽然天线14仍可在天线罩12内移动），例如固定于地面、建筑或其它结构 Afr Afr 寸寸〇
[0020] 天线14可W是发射（箭头A)、接收（箭头B)或既发射又接收（箭头A和B)无线 电波22的任何装置或系统。如本文所使用，"无线电波"或"多个无线电波"广泛地指跨越 从大约抓Z至大约3000GHz的电磁频谱部分内的电磁福射。天线14可W是静止的或移动 的（例如旋转的）。作为具体的非限制性的实例，天线14可W是无线电天线。作为另一个 具体的非限制性的实例，天线14可W是微波天线。作为还另一个具体的非限制性的实例， 天线14可W是雷达天线。
[0021] 天线14可在电磁频谱的预定频带内运行。作为具体的非限制性的实例，天线14 可在范围从大约5GHz至大约50GHz的频率下运行。作为另一个具体的非限制性的实例，天 线14可在X频段（例如从大约8GHz至大约12GHz)内运行。作为另一个具体的非限制性 的实例，天线14可在Ku频段（例如从大约12GHz至大约18GHz)内运行。作为还另一个具 体的非限制性的实例，天线14可在Ka频段（例如从大约24GHz至大约40GHz)内运行。
[0022]天线罩12可具有由天线14的尺寸和形状决定的尺寸和形状。具体而言，天线罩 12的尺寸和形状可足W完全封闭天线14,然而，如果需要，允许天线14在天线罩12的封闭 容积16内移动。虽然图1显示了卵形的天线罩12,但是本领域技术人员将理解天线罩的形 状可W广泛地改变。
[0023] 现在参阅图2,天线罩12可构建为具有外表面32和内表面34的分层结构30。分 层结构30的外部结构层36可被置于接近外表面32,分层结构30的内部结构层38可被置 于接近内表面34,和分层结构30的核屯、层40可被置于外部结构层36和内部结构层38之 间。外部和内部结构层36、38可形成天线罩12的物理结构，而核屯、层40可包含法拉第笼 50层和人造电介质48层。
[0024] 在不偏离本公开内容的范围的情况下，本领域技术人员将理解，可进行图2中所 示的分层结构30的一般配置（外部结构层一核屯、层一内部结构层）的变化。在一个变化 中，天线罩12的分层结构30可只包括外部结构层36和核屯、层40。在另一个变化中，天线 罩12的分层结构30可只包括内部结构层38和核屯、层40。
[0025] 仍参阅图2,在一个具体的实施中，公开的天线罩12的分层结构30可包括外表皮 层42A、42B、42C、42D(通常为外表皮层42)，间隔层44A、44B(通常为间隔层44)，内表皮层 46A、46B、46C、46D(通常为内表皮层46)，人造电介质层48A、48B、48C(通常为人造电介质层 48)和法拉第笼层50A、50B(通常为法拉第笼层50)。外表 皮层42A、42B和间隔层44A可形 成分层结构30的外部结构层36。外表皮层42C、42D和间隔层44B可形成分层结构30的内 部结构层38。人造电介质层48A、48B、48C，内表皮层464、468、46(：、4抓和法拉第笼层50八、 50B可形成分层结构30的核屯、层40。
[0026] 虽然图2示出了总计十五层构成了分层结构30,但是在其它实施中，可使用额外 的层或较少的层。作为一个替代方案，核屯、层40可包括=个或更多个法拉第笼层50和四 个或更多个人造电介质层48,其中法拉第笼层50置于至少两个人造电介质层48之间。作 为另一个替代方案，核屯、层40可包括在两个人造电介质层48之间的一个法拉第笼层50。 其它替代方案将变得对本领域技术人员显而易见，并且将不导致偏离本公开内容的范围。
[0027] 外表皮层42可由适于形成天线罩的多种表皮材料形成。虽然考虑应用飞行测试 的和被认可的材料，但是许多选择是目前可用的，并且其它选择可在未来进行开发。作为一 个一般的非限制性的实例，外表皮层42可由复合材料形成或可包括复合材料。作为一个具 体的非限制性的实例，外表皮层42可由树脂浸溃玻璃纤维布形成或可包括树脂浸溃玻璃 纤维布。
[002引被选择用于外表皮层42的表皮材料可W是电介质。作为一个一般的实例，外表皮 42可具有范围从大约0. 5至大约5的相对介电常数（无量纲；在室温和1曲Z下测量）。作 为一个具体的实例，外表皮层42可具有大约3. 0的相对介电常数（无量纲；在室温和1曲Z 下测量）。
[0029] 外表皮层42可具有横截面厚度Ti，其取决于外表皮42的组成，W及其它可能的因 素。横截面厚度Ti可足W为天线罩12给予结构刚度。在一个实例中，外表皮层42可具有 范围从大约0. 001英寸至大约0. 1英寸的横截面厚度Ti。在另一个实例中，外表皮层42可 具有范围从大约0. 01英寸至大约0. 09英寸的横截面厚度Ti。在还另一个实例中，外表皮 层42可具有范围从大约0. 02英寸至大约0. 05英寸的横截面厚度Ti。
[0030] 间隔层44可分隔开相邻的外表皮层42。为减小天线罩12的总重量，被选择用于 间隔层44的材料可比被选择用于外表皮层42的材料具有更低的密度。作为一个具体的非 限制性的实例，间隔层44可由复合泡沫塑料形成或可包括复合泡沫塑料。
[0031] 被选择用于间隔层44的材料可W是电介质。作为一个一般的实例，间隔层44可 具有范围从大约0. 5至大约5的相对介电常数（无量纲；在室温和1曲Z下测量）。作为一 个具体的实例，间隔层44可具有大约1. 5的相对介电常数（无量纲；在室温和IkHz下测 量）。
[003引间隔层44可具有横截面厚度T2,其可取决于间隔层44的组成，W及其它可能的因 素。间隔层44的横截面厚度T,可大于外表皮层42的横截面厚度T1，使得间隔层44可分 隔开外表皮层42,形成外部结构层36和内部结构层38。在一个实例中，间隔层44的横截 面厚度T,可大于外表皮层42的横截面厚度T1大约5至大约30倍。在另一个实例中，间隔 层44的横截面厚度T,可大于外表皮层42的横截面厚度T1大约10至大约20倍。在还另 一个实例中，间隔层44的横截面厚度T,可大于外表皮层42的横截面厚度T1大约13至大 约18倍。作为一个具体的实例，间隔层44可具有范围从大约0. 1英寸至大约1英寸的横 截面厚度T,。作为另一个具体的实例，间隔层44可具有范围从大约0. 2英寸至大约0. 5英 寸的横截面厚度T,。
[0033] 通过交替人造电介质层48、内表皮层46和法拉第笼层50,可形成核屯、层40,使得 内表皮层46被置于相邻的人造电介质层48和法拉第笼层50之间，并且使得每个法拉第笼 层50被置于两个人造电介质层48之间。然而，核屯、层40可不同的方式装配，只要所 有的法拉第笼层50在两个人造电介质层48之间。
[0034] 内表皮层46可由与用于形成外表皮层42的相同或相似的表皮材料形成。作为一 个一般的非限制性的实例，内表皮46可由复合材料形成或可包括复合材料。作为一个具体 的非限制性的实例，内表皮层46可由树脂浸溃玻璃纤维布形成或可包括树脂浸溃玻璃纤 维布。
[0035] 被选择用于内表皮层46的表皮材料可W是电介质。作为一个一般的实例，内表皮 层46可具有范围从大约0. 5至大约5的相对介电常数（无量纲；在室温和1曲Z下测量）。 作为一个具体的实例，内表皮层46可具有大约3. 0的相对介电常数（无量纲；在室温和 1曲Z下测量）。
[0036] 内表皮层46可具有横截面厚度Tg，其取决于内表皮层46的组成，W及其它可能的 因素。内表皮层46的横截面厚度Ts可小于外表皮层42的横截面厚度T1。在一个实例中， 内表皮层46的横截面厚度Ts的范围可W是大约25%至大约100%的外表皮层42的横截 面厚度Ti。在另一个实例中，内表皮层46的横截面厚度Ts的范围可W是大约40%至大约 60%的外表皮层42的横截面厚度Ti。作为一个具体的非限制性的实例，内表皮层46的横 截面厚度Ts可W是大约0. 01英寸。
[0037] 使用形成具有有效电容的人造电介质的任何可用的技术，可形成人造电介质层 48。本领域技术人员将理解，在研究和开发阶段，人造电介质层48的有效电容可W是可修 改的参数，W调谐天线罩12至具体的频带。
[003引参阅图3A，每个人造电介质层48可包括导电膜片（patch)62的阵列60。阵列60 中的每个膜片62与相邻的膜片62可被间隙64隔开。
[0039] 膜片62的组成和厚度可W是设计考虑事项。例如，膜片62可由高度导电金属材 料，例如铜、银等等形成。膜片62的横截面厚度T4的范围可W是从大约0. 0001英寸至大 约0. 01英寸，例如从大约0. 0005英寸至大约0. 0015英寸。
[0040] 间隙64可具有间距S，其可W是亚波长的。例如，间隙64的间距S可W小于无线 电波22的相关波长（图1)，如无线电波22的相关波长的大约二分之一或更小，或甚至无线 电波22的相关波长的十分之一或更小。
[0041] 可使用任何可用的技术形成阵列60。作为一个具体的非限制性的实例，通过在膜 例如金属材料的膜中蚀刻间隙64,从而留下膜片62的阵列60,可形成阵列60。考虑使用 激光蚀刻和化学蚀刻，但是可使用能够形成具有期望形态的膜片62的任何技术（蚀刻或其 它）。
[00创仍参阅图3A，人造电介质层48的有效电容Cwf可使用方程式1计算，如下：
[0043]
方程式1
[0044]其中￡。是自由空间的介电常数，ewb是周围电介质材料（表皮层仏46)的介电 常数，S是间隙64的间距（见图3A)，和D是每个膜片62的长度L(图3A)加上膜片62两 边的间距S。因此，通过修改膜片62的尺寸、膜片之间的间隙64的尺寸和/或相邻的表皮 层42、46的组成，可修改人造电介质层48的有效电容。
[0045] 作为一个实例，每个人造电介质层48的有效电容的范围可从大约0.OlpF至大约 IpF。作为另一个实例，每个人造电介质层48的有效电容的范围可从大约0. 02pF至大约 〇.8pF。作为还另一个实例，每个人造电介质层48的有效电容的范围可从大约0.IpF至大 约 0. 5pF。
[0046] 此时，本领域技术人员将理解，图3A所示的正方形膜片62的阵列60只是可用作 人造电介质层48的合 适的人造电介质的一个具体的实例。如图3B-化所示，可使用多种尺 寸和周期性的膜片。也考虑许多其它膜片形态，但其多到无法完全举例说明。
[0047] 作为使用膜片62的替代方案，通过在基体材料（例如酪醒树脂）中嵌入导电夹杂 物，可形成人造电介质层48。导电夹杂物可W是分散在树脂基体中的金属纤维、金属楠圆 体、金属球体等等。与图3A所示的膜片实例相似，树脂基体中导电夹杂物的尺寸和间距可 控制由其形成的人造电介质层48的有效电容。
[0048] 回顾参阅图2,法拉第笼层50可由耐雷法拉第笼材料形成，使得法拉第笼层50具 有有效电感。本领域技术人员将理解，在研究和开发阶段，法拉第笼层50的有效电感可W 是可选择的参数（例如通过适当的材料选择或设计），W调谐天线罩12至具体的频带。
[0049] 在持续的直流通路中的导电材料的任何网络可适于形成法拉第笼材料。如果当法 拉第笼材料由高度导电材料（例如铜、银或侣）形成，并且法拉第笼材料的基重和横截面厚 度具有足够的量级时，法拉第笼材料可变得耐雷，从而致使该材料适合用于公开的天线罩 12的法拉第笼层50。耐雷法拉第笼材料可允许雷电感生（或EMP-感生）电流沿着材料流 动，而不显著地燃烧材料，特别是在远离雷电击附着点的位置处。
[0050] 参阅图4A，在一个具体的实施中，法拉第笼层50可由高度导电金属材料的非织造 金属网70形成或可包括高导电金属材料的非织造金属网70。作为一个具体的非限制性的 实例，形成法拉第笼层50的非织造金属网70可W是ASTROST艮IKE'k'筛，其是可购自康 涅狄格州切斯特市的Astroseal Products Mfg. Co巧oration的耐雷法拉第笼材料。
[0化1] 适于形成网70的高度导电材料的非限制性的实例包括铜、侣和银。网70的横截面 厚度Te的范围可从大约0. 001英寸至大约0. 01英寸，例如从大约0. 003英寸至大约0. 007 英寸。
[0化2] 法拉第笼层50的网70的有效电感L,ff可使用方程式2计算，如下：
[0053]
方程式2
[0化4]其中y。是自由空间的磁导率，y,ub是周围电介质材料（表皮层46)的磁导率，D是网70的每个分离单元（例如交叉处）的长度，和W是形成网70的导电材料的宽度。因 此，通过修改网70的配置和/或相邻的表皮层46的组成，可修改法拉第笼层50的有效电 感。
[0化5] 作为一个实例，每个法拉第笼层50的有效电感的范围可从大约50抑至大约 5(K)pH。作为另一个实例，每个法拉第笼层50的有效电感的范围可从大约100抑至大约 4(K)pH。作为还另一个实例，每个法拉第笼层50的有效电感的范围可从大约200抑至大约 300抑。
[0056] 形成网70的导电材料的宽度w(方程式。可^是亚波长的。例如，宽度W可小于 无线电波22 (图1)的相关波长，如无线电波22的相关波长的大约二分之一或更小，或甚至 无线电波22的相关波长的十分之一或更小。
[0化7] 此时，本领域技术人员将理解，图4A所示的具有交叉线配置的网70只是可用于或 用作法拉第笼层50的合适的耐雷法拉第笼材料的一个具体的实例。在不偏离本公开内容 的范围的情况下，可使用具有多种形态的导电网络。图4B-4G显示了可用于（或用作）公 开的天线罩12的分层结构30的法拉第笼层50的网和其它导电网络的数个合适的可选实 例。
[0化引根据下列实施例将显而易见；人造电介质层48和法拉第笼层50的设计/选择，W及形成天线罩12的分层结构30的其它层42、44、46的介电常数的考虑，可帮助调谐天线罩 12至具体的频带。因此，天线罩12可被改造W适应相关联天线14的无线电波22 (图1)， 尽管其被完全封闭在保护性耐雷法拉第笼材料中。
[0化9] 实施例
[0060] 实施例1
[0061](天线罩调谐至X频段）
[0062] 设计如图2所示的十五层天线罩。表1提供了组成和厚度数据。
[0063]表1
[0064]
[00 化]
[0066] 使用专用的航空航天飞行测试的树脂浸溃玻璃纤维布。树脂浸溃玻璃纤维布层 (外表皮层424、428、42(：、420和内表皮层464、468、46(：、460)具有大约3.3的介电常数（无 量纲；在室温和1曲Z下测量）。
[0067] 使用专用的航空航天飞行测试的复合泡沫塑料。复合泡沫塑料层（间隔层44A、 44B)具有大约1. 9的介电常数（无量纲；在室温和1曲Z下测量）。
[0068] 人造电介质层被配置为如图3A所示的金属膜片的阵列。阵列中膜片的尺寸和间 距为每个人造电介质层提供了大约0. 5pF的有效电容。
[0069] ASTROST民IKE'"'筛是铜网筛，并且获取自康涅狄格州切斯特市的Astroseal ProductsMfg.Co巧oration。AST民OSTRIKE'k筛被测出具有大约280pH的有效电感。
[0070] 如图5所示，在范围从大约8.5GHz至大约9. 5GHz的频带内--其相当于X频段， 实施例1的天线罩的透射对频率的图显示几乎100%透射。
[0071] 实施例2
[0072](天线罩调谐至Ku频段）
[0073] 设计如图2所示的十五层天线罩。表2提供了组成和厚度数据。
[0074]表2
[0075]
[0076]
[0077]实施例1中使用的相同的专用的航空航天飞行测试的树脂浸溃玻璃纤维布也在 实施例2中使用。树脂浸溃玻璃纤维布层（外表皮层42A、42B、42C、42D和内表皮层46A、 46B、46C、46D)具有大约3. 3的介电常数（无量纲；在室温和1曲Z下测量）。
[007引实施例1中使用的专用的航空航天飞行测试的复合泡沫塑料也在实施例2中使 用。复合泡沫塑料层（间隔层44A、44B)具有大约1. 9的介电常数（无量纲；在室温和1曲Z 下测量）。
[0079] 人造电介质层被配置为如图3A所示的金属膜片的阵列。层48A和48C的阵列中 的膜片的尺寸和间距提供了大约0. 15pF的有效电容。层48B的阵列中的膜片的尺寸和间 距提供了大约0. 25pF的有效电容。
[0080] 实施例1中使用的相同的ASTROSTRIKEK'筛也在实施例2中使用。 AST民OSTRIKE'ki筛被测出具有大约280pH的有效电感。
[OOW] 如图6所示，在范围从大约15GHz至大约17. 5GHz的频带内--其相当于而频段， 实施例2的天线罩的透射对频率的图显示几乎100%透射。
[0082] 实施例3
[0083](天线罩调谐至Ka频段）
[0084] 设计如图2所示的十五层天线罩。表3提供了组成和厚度数据。
[0085]表3
[0086]
[0087]
[008引实施例1和2中使用的相同的专用的航空航天飞行测试的树脂浸溃玻璃纤维布也 在实施例3中使用。树脂浸溃玻璃纤维布层（外表皮层424、428、42(：、420和内表皮层46八、 46B、46C、46D)具有大约3. 3的介电常数（无量纲；在室温和1曲Z下测量）。
[0089] 实施例1和2中使用的专用的航空航天飞行测试的复合泡沫塑料也在实施例3中 使用。复合泡沫塑料层（间隔层44A、44B)具有大约 1. 9的介电常数（无量纲；在室温和 1曲Z下测量）。
[0090] 人造电介质层配置为如图3A所示的金属膜片的阵列。层48A和48C的阵列中的 膜片的尺寸和间距提供了大约0. 〇25pF的有效电容。层48B的阵列中的膜片的尺寸和间距 提供了大约0. 05pF的有效电容。
[0091] 实施例1和2中使用的相同的astrostrike?筛也用于实施例3。 ASTROST民IKE'"'節被测出具有大约28化H的有效电感。
[009引如图7所示，在范围从大约30GHz至大约36GHz的频带内--其相当于频段，实 施例3的天线罩的透射对频率的图显示近乎100%透射。
[0093] 因此，公开的天线罩系统10可包括被耐雷法拉第笼材料完全封闭天线罩12(不需 要窗口）。相对于法拉第笼层50,天线罩12的分层结构30中的人造电介质层48的存在和 配置可致使天线罩12对运行安置在天线罩12中的天线14需要的预定频带中的无线电波 22是透明的。因此，天线罩12可对许多雷击或电磁脉冲的破坏性频率不透明，而天线罩12 可对天线14的运行频率透明。
[0094] 参阅图8,还公开的是保护天线，例如雷达天线的方法，通常指定为100。天线可在 预定频带下运行。方法100可提供物理保护免受物理物质，例如碎片、降水、气流等等，W及 提供保护免受雷击、电磁脉冲和其它潜在的破坏性电或电磁事件。
[0095] 如方框102所示，方法可开始于装配天线罩的步骤。天线罩可包括具有外表面和 内表面的分层结构。分层结构可包括接近外表面的外部结构层，接近内表面的内部结构层， 和外部和内部结构层之间的核屯、层。核屯、层可包括置于人造电介质层之间的法拉第笼层， 如上面更详细描述的。
[0096] 在方框104,可选择法拉第笼层和人造电介质层，使得天线罩对预定频带内的无线 电波基本上是透明的。因此，法拉第笼层可完全封闭天线，而不需要窗口，从而排除许多有 害频率，但仍允许天线运行。
[0097] 在方框106,天线可被安置在天线罩内。例如，天线罩和天线可被安装在例如飞机 的交通工具上。
[009引尽管已经显示和描述了公开的防雷天线罩系统的多种实施方式，但是在阅读说明 书后，本领域技术人员可想到改进。本申请包括该样的改进，并且只受限于权利要求的范 围。
[0099] 根据本公开内容的一个方面，提供了天线罩系统，其包括天线，所述天线在预定频 带内运行；和限定了封闭容积的天线罩，其中所述天线被安置在所述封闭容积内，所述天线 罩包括具有外表面和内表面的分层结构，所述分层结构包括接近所述外表面的外部结构层 和所述外部结构层下方的核屯、层，所述核屯、层包括置于人造电介质层之间的法拉第笼层。
[0100] 本文描述的天线罩系统，其中所述预定频带在大约5GHz至大约50GHz的范围内。
[0101] 本文描述的天线罩系统，其中所述外部结构层包括外表皮层和间隔层。
[0102] 本文描述的天线罩系统，其中所述外表皮层包括树脂浸溃玻璃纤维布。
[0103] 本文描述的天线罩系统，其中所述间隔层包括复合泡沫塑料。
[0104] 本文描述的天线罩系统，其中所述外表皮层和所述间隔层包括电介质。
[01化]本文描述的天线罩系统，其中所述外部结构层包括置于两个外表皮层之间的间隔 层。
[0106] 本文描述的天线罩系统，其中所述核屯、层进一步包括内表皮层。
[0107] 本文描述的天线罩系统，其中所述核屯、层包括多个法拉第笼层，其与多个人造电 介质层交替。
[0108] 本文描述的天线罩系统，其中所述法拉第笼层包括耐雷法拉第笼材料。
[0109] 本文描述的天线罩系统，其中所述法拉第笼层包括金属材料的非织造网。
[0110] 本文描述的天线罩系统，其中所述金属材料包括铜或侣。
[0111] 本文描述的天线罩系统，其中所述法拉第笼层具有范围从大约50抑至大约5(K)pH 的有效电感。
[0112] 本文描述的天线罩系统，其中所述法拉第笼层完全封闭所述天线。
[0113] 本文描述的天线罩系统，其中人造电介质层具有范围从大约O.OlpF至大约IpF的 有效电容。
[0114] 本文描述的天线罩系统，其中每个所述人造电介质层包括膜片的阵列。
[0115] 本文描述的天线罩系统，其中所述分层结构进一步包括接近所述内表面的内部结 构层，其中所述核屯、层被置于所述内部结构层和所述外部结构层之间。
[0116] 本文描述的天线罩系统，其中所述内部结构层包括间隔层。
[0117] 本文描述的天线罩系统，其中所述天线罩对包括所述预定频带的频带内的无线电 波是基本上透明的。
[0118] 根据本发明的另一个方面，提供了保护天线的方法，所述天线在预定频带内运行， 所述方法包括W下步骤：装配天线罩，其包括具有外表面和内表面的分层结构，所述分层结 构包括接近所述外表面的外部结构层；接近所述内表面的内部结构层；和所述外部结构层 和所述内部结构层之间的核屯、层，所述核屯、层包括置于人造电介质层之间的法拉第笼层； 选择所述法拉第笼层和所述人造电介质层，使得所述天线罩对所述预定频带内的无线电波 是基本上透明的；和将所述天线安置在所述天线罩内。
【主权项】
1. 天线罩系统，其包括： 天线，所述天线在预定频带内运行；和 天线罩，其限定了封闭容积，其中所述天线被安置在所述封闭容积内，所述天线罩包括 具有外表面和内表面的分层结构，所述分层结构包括： 外部结构层，其接近所述外表面；和 核心层，其在所述外部结构层下方，所述核心层包括置于人造电介质层之间的法拉第 笼层。2. 根据权利要求1所述的天线罩系统，其中所述预定频带在大约5GHz至大约50GHz的 范围内。3. 根据任意前述权利要求所述的天线罩系统，其中所述外部结构层包括外表皮层和间 隔层。4. 根据权利要求3所述的天线罩系统，其中所述外表皮层包括树脂浸渍的玻璃纤维 布。5. 根据权利要求3所述的天线罩系统，其中所述间隔层包括复合泡沫塑料。6. 根据权利要求3所述的天线罩系统，其中所述外表皮层和所述间隔层包括电介质。7. 根据任意前述权利要求所述的天线罩系统，其中所述外部结构层包括置于两个外表 皮层之间的间隔层。8. 根据任意前述权利要求所述的天线罩系统，其中所述核心层进一步包括内表皮层。9. 根据权利要求1所述的天线罩系统，其中所述核心层包括多个法拉第笼层，其与多 个人造电介质层交替。10. 根据权利要求1所述的天线罩系统，其中所述法拉第笼层包括耐雷法拉第笼材料。
【专利摘要】本发明的名称为防雷天线罩系统。天线罩系统，其包括天线——该天线在预定频带内运行——和限定了封闭容积的天线罩，其中天线被安置在封闭容积内，天线罩包括具有外表面和内表面的分层结构，分层结构包括接近外表面的外部结构层和外部结构层下方的核心层，核心层包括置于人造电介质层之间的法拉第笼层。
【IPC分类】H01Q1/42
【公开号】CN104901008
【申请号】CN201510093735
【发明人】M·M·洛尔
【申请人】波音公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月3日
【公告号】CA2873172A1, EP2916387A1, US9123998, US20150255862
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