[发明专利]嵌入式智能蒙皮天线

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，特别涉及智能蒙皮天线技术和阵列天线技术。

背景技术

由于天线通信功能的日益增加，一种叫做“智能蒙皮”的天线在法国正在开发之中。智能蒙皮技术是材料、生物、光电技术、自动控制和计算机工程等多学科综合集成的一项新技术。智能材料是一种能感知外部刺激、能够判断并适当处理、而且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。智能蒙皮是将不同种类的复合材料压成薄片而成，获得先进的电学和结构特性。通过比较试验，这种新型结构和材料制作的天线与F/A18上的标准天线相比，其通信距离提高了5倍，空空和空地传播的质量得到改进。P.aratault等人在1993年发表的文献des antennes pour radars aéroportés de la parabole aus peaux actives”（Revised Technology,Thomson-CSF）中首次提出了这种智能蒙皮天线的设想。在此之后，L.Josefsson教授在1999年发表的文献“Smart skins for the future”（RVK99,Karlskrona,Sweden）中进一步完善了该智能蒙皮天线设想，该天线构造了一个完整的射频系统，不仅包括辐射单元，还包含馈电网络、放大器、电子控制、功率分布、冷却、滤波器等部件，这些部件全部集成在一个可以裁减成各种形状的多层异质材料结构之中。遗憾的是，P.Baratault和L.Josefsson等人提出的智能蒙皮天线在智能化设计方面主要采用后端信号处理的方式实现有源子阵的收发、完成天线波束的自适应，这种设计方式承袭了传统相控阵天线的设计理念，在电性能设计上没有实质性的提升。J.Bartley-Cho等人在1999年也发表了文献“Development and testing of a conformal load-bearing smart skin antenna structure”（Published by American Institute of Aeronautics and Astronautics），报道了诺斯罗普-格鲁门公司的共形承载智能蒙皮螺旋天线。该螺旋天线由飞机蒙皮外表面、辐射单元、介质层、隔离层、吸收层和吸收盘组成，具有直接承载外部环境载荷的能力，能工作在0.15GHz～2GHz的带宽内，可支持通信、导航、识别和电子战设备工作。然而，该螺旋天线是单天线工作模式，无法通过后端信号处理的方式实现天线波束的自适应，完成辐射方向图的可重构，实现天线电性能的智能化。2008年，S.H.Son等人发表的文献“Development of a smart-skin phased array system with a honeycomb sandwich microstrip antenna”（Smart Materials and Structures）报道了智能蒙皮相控阵天线的设计方法。该智能蒙皮相控阵天线的辐射单元被嵌入到一个有机的蜂窝夹层结构之中，由上下两层介质、上层贴片、下层贴片、和蜂窝夹层组成，下层贴片采用同轴转换成微带传输线进行馈电，通过耦合激励蜂窝夹层上面的上层贴片，实现了宽带微带贴片天线的设计；将16个宽带微带贴片天线按单元间距0.55波长进行线阵排列，实现了智能蒙皮天线的天线阵面的蒙皮化设计；采用4位数字移相器，实现了相控阵天线波束的±45度扫描。该相控阵天线的缺点是TR组件和馈电网络均没有采用瓦片式设计方法，无法完成天线阵面、TR组件和馈电网络的嵌入式蒙皮设计；在电性能方面，采用了传统相控阵天线的设计方法，会出现在扫描角度大于±45度的条件下增益损失过大的缺陷。更为重要的是，该相控阵天线不能根据外界电磁环境变化，完成相控阵天线的电性能可重构，无法做到智能化。2013年，R.Kilaru等人发表的文献“NiCr MEMS tactile sensors embedded in polyimide toward smart skin”（Journal of Microelectromechanical Systems）报道了触碰式传感器在聚酰亚胺材料里面的设计技术。该传感器层埋在聚酰亚胺材料里面，通过镍铬微机电开关实施工作，可感触外界载荷应力的变化，该文献重点研究了触碰式传感器的设计、构造、以及封装工艺，探讨了触碰式传感器的特性和实现功能。遗憾的是，该文献没有报道触碰式传感器、天线、和蒙皮材料的层埋设计技术，更没有给出如何根据外界电磁环境变化实现天线的自诊断和电性能可重构。