加有涂层的天线及其制造方法 本申请要求2001年10月29日提交的序列号为NO.60/330679的美国专利申请的优先权。
【技术领域】
本发明涉及加有涂层天线及其制造方法。更加具体地说，本发明涉及一种加有涂层的天线，它利用导电涂层代替常规天线的金属部分并用介电涂层代替常规天线之介电层。
背景技术
军事上需要外形小、成本低、维护费用低的天线，这样的天线能够平齐地安装在各种类型的陆地上、空中和水上的台架上，其中包括(但不限于)坦克、飞机、船只、甚至布质物品中。航空工业现在可提供外形小的机械扫描的相控阵列。现在还可获得能以非常低的成本提供较宽扫描覆盖区的、外形小的机械扫描天线。相控阵列和机械式天线都适合于不同台架的要求。这两者都被认为是表面安装的外形小的天线。
虽然利用飞机结构作为辐射天线的一个实际部分是极具诱惑力的，但在大多数情况下这是不切实际的。把天线设施和台架的制造结合在一起，可以简化制造过程，并能降低成本；然而，飞机的材料和形状不可能与天线的设计要求完全一致。
先前曾提出过微带插片(patch)天线。微带天线地例子是美国专利US 4,812,853(Negev)、美国专利US 5,008,681(Cavallaro等人)、美国专利US 5,355,142(Marshall等人)。然而，微带插片天线在VHF/UHF情况下的效率较低。还有，微带插片天线的固有的频段较窄(只有百分之几)，因此使它们不适合于大多数的VHF/UHF下的通信应用。在一般情况下，为了构成一个高效的辐射体，天线必须是共振的。因此，天线的尺寸必须接近它的工作波长之半。在VHF/UHF下，这可能是几米到几十米。因为在诸如飞机之类的台架上实际地盘的限制，在1GHz以下很少使用微带插片天线。
总之，频率低于1GHz的微带插片天线在空间系统中的应用极其有限。在确实存在的这些应用中，使用现有技术制造的天线有可能平齐地安装在现存的飞机的台架上。但将它们集成在飞机结构里(从而使它们成为空中台架的一部分)在技术上却是极其困难的，并且不能在性能上或成本上提供任何好处。
在微波和EHF频段，微带插片天线有很大的好处。它们薄、重量轻、而且外形小，并且它们的带宽的5-10％就足以满足大多数COM和雷达的应用。通过在其顶部附加带有无源插片另一个介电层，还可以进一步增加带宽。进而，可将单个的插片联合成一组辐射元件，可以得到众所周知的相控阵列天线。微带插片的相控阵列可以提供优异的性能，例如高增益、可电控、独立的多个辐射束、频率的灵活性、自适应的模式控制、数字式的辐射束成形、等等。虽然插片的设计似乎简单，但它们的通常由多层板构成的精确物理结构要求特定的基板材料。然而，常规的平板形PC板技术不能应用到陡峭的双曲的飞机表面上，如飞机机翼、飞机机体等。
本发明涉及的正是这些目的以及其它目的的解决方案。
【发明内容】
于是，本发明的主要目的在于，提供一种加有涂层类的天线，它们不仅能够应用于平直的表面上，而且能够应用于陡峭的或双曲台架上，如飞机机翼、飞机机体及飞机的其它表面上、声纳圆顶、其它船只表面、各种类型的运输工具。加有涂层的天线还可以应用于静止表面，如建筑物等。
本发明的另一个目的在于，提供一种天线，它能够应用于基板上，但不致引起基板结构损伤或其它物理损伤。
本发明的上述目的和其它目的是通过提供加于一个结构上、并包括一系列导电涂层和介电涂层的天线，以及通过使用一系列导电涂层和介电涂层将天线加于一个结构上的方法实现的。所述方法允许在现存之台架上非破坏性地应用天线，以接收和发送电磁信号。可将所述天线应用于诸如铝、钢、金属合金、复合结构、由纤维加强的塑料、聚碳酸酯、丙烯酸酯、聚乙烯、聚丙烯、纤维玻璃、现存涂层系统、纺织织物以及纸等表面上。
按照本发明的一个方面，一种天线包括；加于基板结构上，如弯曲之飞机表面上的导电涂层后板或底板(取决于天线是GPS或其它微带天线)；加于导电涂层后板或底板之外表面上的不导电介电涂层；以及加于介电涂层的外表面上的导电涂层插片或微带阵列或辐射元件(也取决于天线是GPS或其它微带天线)。同轴电缆的中央导线或同轴连接器的插针穿过导电涂层后板或底板或微带阵列或辐射元件，并与其绝缘，但与导电涂层插片或微带阵列接触，以便发送来自于天线的信号。
导电涂层后板或底板以及导电涂层插片或微带阵列或辐射元件，均由导电的吸收电磁辐射的涂层组合物，如UNISHIELD导电涂层组合物形成，1998年9月11日提交的序列号为NO.09/151,445的美国专利申请中公开了这种导电涂层组合物，本文参照引用该美国专利申请的全文(下称“原始UNISHIELD导电涂层组合物”)。序列号为NO.09/151,445的美国专利申请中公开的原始UNISHIELD导电涂层组合物包括乳胶聚合物粘合剂，它是第一乳胶和第二乳胶的混合物，第一乳胶包含一种共轭二烯单体或共聚单体，第二乳胶包含丙烯酸聚合物。所述导电涂层组合物还包含分散在粘合剂中有效数量的导电颗粒，以及作为载体的水。所述导电颗粒包括石墨颗粒和含有金属的颗粒的组合物，石墨颗粒最好是天然的片状石墨，含有金属的颗粒最好是含有银或镍的颗粒。
导电涂层后板或底板以及导电涂层插片或微带阵列或辐射元件也可以由另一组合物构成，它是原始的UNISHIELD导电涂层组合物的一种改性物(下称“改性UNISHIELD导电涂层组合物“)，这种改性的组合物也是本发明的发明人Robert C.Boyd和Wayne B.LeGrande的发明。在改性UNISHIELD导电涂层组合物中，聚合物粘合剂的第二乳胶是从以下所述的组中选出的任何一个或它们的任一组合：丙烯酸、脂肪或芳香聚氨酯、聚酯氨酯、聚酯、环氧(epoxy)、聚酰胺、聚酰亚胺、乙烯、改性聚丙烯、氟聚合物及硅聚合物，或者它们的组合。另外，在改性的UNISHIELD导电涂层组合物中，导电颗粒是从以下所述的组中选出的任何一种：石墨颗粒、碳纳米管和含有金属的颗粒，或它们的组合。石墨颗粒最好是天然的片状石墨。碳纳米管的直径最好是10-60纳米，长度从小于1微米到40微米。含有金属的颗粒最好是含有银或镍的颗粒，但也可以使用其它金属，如金、铂、铜、铝、铁或铁化合物，以及钯。含有金属的颗粒最好是涂有金属的陶瓷微型球，或涂有金属的陶瓷纤维，但也可以使用涂有其它金属的颗粒，如涂有金属的玻璃片、玻璃球、玻璃纤维、氮化硼粉末或氮化硼片、云母片。
介电涂层是一种高强度建筑材料，它包括下述的聚合物中的一种或多种；丙烯酸乳胶；聚苯乙烯改性的丙烯酸乳胶；丙烯酸改性的环氧分散剂；聚氨酯分散剂，以及二甲基聚硅氧烷分散剂。介电涂层还包括下述的染料中的一种或多种：硅酸镁、硅酸铝、碱性硅铝酸盐(alkali aluminiosilicate)、碳酸钙、发烟硅石，以及磨砂玻璃。
所加导电涂层的膜厚根据天线类型的不同而有所变化。例如，用于GPS插片型天线的导电涂层后板以及导电涂层插片，二者中每个的厚度都约为3-10密耳。高强度建筑介电涂层的厚度约为20-150密耳。对于VHF或UHF系统，导电涂层膜厚度约为3-10密耳。
导电涂层后板或底板、介电涂层，以及导电涂层插片或微带阵列或辐射元件还可以形成为自粘片或自粘膜，使之成为特定频率范围所要求的特定尺寸。
按照本发明的另一方面，天线包括一层保护膜，保护膜加于导电涂层插片、微带阵列或辐射元件、介电涂层，以及导电涂层后板或底板上。
按照本发明的又一方面，基板是导电金属，基板本身可形成导电后板或底板，介电涂层加于台架的外表面，导电涂层插片或微带阵列或辐射元件加于介电涂层的外表面。基板介电组合物树脂，基板本身就能形成介电层，其中导电涂层后板或底板加于台架的内表面，导电涂层插片加于台架的外表面。
按照本发明，对于GPS插片型天线实现的方法包括；将同轴电缆或同轴连接器固定到基板上，使中央导线或插针从基板延伸穿过，并与基板的基体绝缘，将导电涂层后板加于基板结构上，将不导电的介电涂层加于导电涂层后板的外表面，从而使中央导线或插针延伸穿过导电涂层后板和介电涂层并与导电涂层后板和介电涂层绝缘，但与导电涂层插片接触。利用延伸穿过导电涂层后板的电缆绝缘体和中央导线连接同轴电缆屏蔽到导电涂层后板，使中央导线连接到导电涂层插片，从而还可以使同轴电缆直接连接到天线。可以利用导电涂层本身进行同轴插针和同轴屏蔽的连接。
阅读包括附图在内的说明书，将使本发明的其它目的、特征和优点对于本领域的普通技术人员来说均为显而易见的。
【附图说明】
通过参照附图阅读下面的本发明优选实施例的详细描述，能够更好地理解本发明；整个说明书的附图中，相同的标号指的是相同的元件，其中：
图1是加于基板表面的本发明天线第一实施例的俯视透视图；
图2是图1天线的仰视透视图；
图3是沿图1的线3-3取的剖面图；
图4-10的曲线图表示通过增加调谐短线实现的增益改进，曲线是频率(以GHz为度量单位)对于增益(以db为度量单位)绘出的
【具体实施方式】
在描述附图所示本发明优选实施例时，为简明起见，使用了特定的术语。然而，不希望本发明被限制在这样选出的特定术语上，应该理解，每个特定的元件都包括可以按类似方式工作，以实现类似目的的所有技术等效物。
现在参照附图1-3，其中表示本发明之加于基板结构200的外表面上的天线100，基板结构200例如是弯曲的飞机表面，特别是陡峭的或双曲的表面，如飞机机翼、机体等，以及内部通信系统台架，如船只、飞机、建筑物结构等。制造基板结构200的材料例如可以是铝、钢、金属合金、组合物结构、纤维加强塑料、聚碳酸酯、丙烯酸、聚乙烯、聚丙烯、纤维玻璃、现有的涂层系统、纺织品、纸。
天线100包括一个导电涂层后板或底板110(取决于天线加于GPS还是加于其它微带天线)，导电涂层后板或底板110加于基板结构200的外表面202上。导电涂层后板或底板110具有面对基板结构200的外表面202的内表面110a，远离基板结构200的外表面202的外表面110b。不导电的介电涂层120具有面向导电涂层后板或底板110的外表面110b的内表面120a，以及远离导电涂层后板或底板110的外表面110b的外表面120b。导电涂层后板或底板或微带阵列或辐射元件130(再次取决于天线是GPS还是其它的微带天线)加于介电涂层120的外表面120b上。导电涂层后板或底板或微带阵列或辐射元件130具有面向介电涂层120的外表面120b的内表面130a，以及远离介电涂层120的外表面120b的外表面130b。
首先，将一个常规的同轴连接器或同轴电缆300的端部302通过一个孔204(见图3)插进基板结构200内，然后再在基板结构200上加上导电涂层后板或底板110、介电涂层120以及导电涂层插片或微带阵列或辐射元件130。同轴连接器或同轴电缆300的中央导线或插针304沿其长度方向除了它的端部304a以外都是绝缘的，它的端部304a与导电涂层插片或微带阵列或辐射元件130不绝缘，并且与其接触以发送来自于天线100的信号。
导电涂层后板或底板110以及导电涂层插片或微带阵列或辐射元件130由导电的、可吸收电磁辐射的涂层组合物构成，比如1998年9月11日提交的序列号为NO.09/151,445的美国专利申请中公开的原始UNISHIELD导电涂层组合物。原始UNISHIELD导电涂层组合物包括一种乳胶聚合物粘合剂，它是第一乳胶和第二乳胶的混合物，第一乳胶包含一种共轭二烯单体或共聚单体，第二乳胶包含丙烯酸聚合物。所说的导电涂层组合物还包含分散在粘合剂中的有效数量的导电颗粒以及作为载体的水。所说的导电颗粒包括石墨颗粒和含有金属的颗粒的组合物，石墨颗粒最好是天然的片状石墨，含有金属的颗粒最好是含有银或镍的颗粒。
导电涂层后板或底板110以及导电涂层插片或微带阵列或辐射元件130还可以由另一组合物构成，它是原始UNISHIELD导电涂层组合物的一种改性物(下称“改性UNISHIELD导电涂层组合物“)，这种改性的组合物也是本发明的发明人Robert C.Boyd和Wayne B.LeGrande的发明。在改性UNISHIELD导电涂层组合物中，聚合物粘合剂的第二乳胶是从以下所述的组中选出的任何一个或它们的任一组合：丙烯酸、脂肪或芳香聚氨酯、聚酯氨酯、聚酯、环氧、聚酰胺、聚酰亚胺、乙烯、改性聚丙烯、氟聚合物，以及硅聚合物，或者它们的组合。另外，在改性UNISHIELD导电涂层组合物中，导电颗粒是从以下所述的组中选出的任何一种：石墨颗粒、碳纳米管、含有金属的颗粒，或者它们的组合。石墨颗粒最好是天然的片状石墨。碳纳米管的直径最好是10-60纳米，长度从小于1微米到40微米。含有金属的颗粒最好是含有银或镍的颗粒，但也可以使用其它金属，如金、铂、铜、铝、铁或铁化合物，以及钯。含有金属的颗粒最好是涂有金属的陶瓷微型球，或者涂有金属的陶瓷纤维，但也可以使用涂有其它金属的颗粒，如涂有金属的玻璃片、玻璃球、玻璃纤维、氮化硼粉末或氮化硼片、云母片。
介电涂层120是一种高强度建筑材料，它包括下述的聚合物中的一种或多种；丙烯酸乳胶；聚苯乙烯改性丙烯酸乳胶；丙烯酸改性环氧分散剂；聚氨酯分散剂，以及二甲基聚硅氧烷分散剂。介电涂层还包括下述的染料中的一种或多种：硅酸镁、硅酸铝、碱性硅铝酸盐、碳酸钙、发烟硅石以及磨砂玻璃。
所加导电涂层的膜厚根据天线类型的不同而有所变化。例如，用于GPS插片型天线的导电涂层后板120以及导电涂层插片130二者中每个的厚度都约为3-20密耳，高强度建筑介电涂层的厚度约为20-150密耳。在大多数情况下，介电涂层120将包括不止一层高强度建筑材料，以实现在导电涂层后板或底板110和导电涂层插片或微带阵列或辐射元件130之间要求的间隙。按照本领域的普通技术人员公知的方式确定导电涂层后板或底板110、介电涂层120，以及导电涂层插片或微带阵列或辐射元件130的尺寸，使之成为特定频率范围所要求的特定尺寸。
导电涂层后板或底板110、介电涂层120，以及导电涂层插片或微带阵列或辐射元件130还可以形成为自粘片或自粘膜，以便容易应用和现场维护天线100。天线100还可以包括一层保护膜400，保护膜加于导电涂层插片或微带阵列或辐射元件130、介电涂层120、导电涂层后板或底板110上，以便减小环境引起的性能变差，增加天线100的其它部件的期望寿命。保护膜400由不影响天线的接收或发射期望频率的能力的材料制成。
在基板是一种导电金属的情况下，基板本身就可以形成导电涂层后板或底板，其中介电涂层120加于台架的外表面，并且导电涂层插片或微带阵列或辐射元件130加于介电涂层120的外表面上。在基板是介电组合物树脂的情况下，基板本身可以形成介电涂层，其中导电涂层后板或底板110加于台架的内表面，导电涂层插片或微带阵列或辐射元件130加于台架的外表面上。
按照本发明，对于GPS插片型天线实现的本发明的方法包括如下步骤：使一个插片引线(如同轴电缆中央导线或同轴连接器插针300)延伸穿过与插片引线绝缘的基板结构200；在导电涂层后板110的外表面110b上加上不导电的介电涂层120；以及在介电涂层120的外表面120b上加上导电涂层插片130使其电连接到插针引线。本领域的普通技术人员显然可以看出，可以使用类似的方法制造其它的微带天线：将导电涂层后板或底板110加于基板结构200的外表面202、将不导电的介电涂层120加于导电涂层后板或底板110的外表面110b上、并将导电涂层插片或微带阵列或辐射元件130加于介电涂层120的外表面120b上。
可经过各种各样的方法加给导电涂层后板或底板110、介电涂层120、和导电涂层插片或微带阵列或辐射元件130，其中包括(但不限于)：喷射，比如使用常规的喷射技术；涂刷；滚动涂敷；浸渍涂敷；流动涂敷。导电涂层后板或底板110、介电涂层120、和导电涂层插片或微带阵列或辐射元件130每一层的厚度以及必须施加的各层的层数都取决于特定的天线设计。对于某些天线设计，单层就足以实现必要的膜厚度；而对于另外一些设计，必须有多层才能实现较高的膜厚度。各个层在环条件下经过空气干躁。干躁接触时间平均20-40分钟。干躁服务时间平均2-6小时。
利用穿过导电涂层后板或底板110延伸的同轴电缆绝缘体和中央导线连接同轴电缆屏蔽到导电涂层后板110，同时使中央导线连接到导电涂层插片130，还可以使同轴电缆直接连接到天线。
进行测试，以比较本发明的GPS插片型天线的样机与利用同轴馈电的常规插片型微带天线以及为测试目的构成的混合式插片型天线。选择微带天线是因为它在常规的形式方面以及它的结构方面的商业上的可利用性，它的介电中间层夹在导电金属后板和导电金属插片之间。利用Richard C和Henry Jasik编辑的“天线工程手册“指南，选择常规天线的设计。选择的频率在1.5GHz的范围内。选择这个范围是因为卫星导航系统在这个范围内。测试设备包括：具有Wincore控制器软件和PC控制器软件的摩托罗拉Oncore评估设备(Motorila Oncore EvaluationKit)；在适配器板上具有LNA的Synergy Sysems M 12 Oncore接收器；和Synergy Sysems LLC SA P2无源GPS天线。利用Hewlet Packard Model4262A LCR仪进行电容测量。利用Fluke伏特欧姆表进行导电性测量。
每种测试天线的结构总结在下面的表1中：
表1测试天线号导电插片介电涂层导电后板宽度(英寸) 长度(英 寸) 厚度(英 寸)1金属空气金属3.24 3.66 0.22金属FR4金属1.73 1.74 0.123涂层FR4金属1.72 1.72 0.124涂层FR4油漆1.72 1.79 0.12
1号测试天线是常规设计的天线，是使用金属后板、作为介电层的空气、以及金属插片进行同轴连接构成的。选择空气作为介电材料是因为它的介电常数是已知的。
2号测试天线是使用铜包层FR4电路板作为后板构成的。将第二铜包层FR4电路板切割成合适的插片尺寸，并将其固定到第一电路板上以形成完整的天线。选择这种结构是为了产生使用电路板材料作为介电材料的比较数据，其中的铜是公知的导体。使用与2号天线中相同的同轴连接。
在所构成的3号测试天线中，后板用铜片，介电材料用FR4电路板，插片用原始UNISHIELD导电涂层组合物。这是第一个测试天线，其中使用导电涂层。它代替在1号和2号测试天线插片使用的金属材料。这是唯一可变的变化，借此，可以准确地记录对应于每个变化的数据。
在所构成的4号测试天线中，将原始UNISHIELD导电涂层组合物喷射涂敷到FR4电路板上作为后板。利用FR4电路板形成介电深度。还要将原始UNISHIELD导电涂层组合物喷射涂敷到FR4电路板上，以此作为导电插片。4号测试天线从天线设计中取消了所有的金属基板。
在下面的表2中列出了天线的测试数据：
表2 测试天线 号 频率 电容 (皮法) Q电缆电容 总电容 (法) 1 1kHz 10kHz 22.4 22.4 * 1000.00.00.0 2.24×1011 2.24×1011 2 1kHz 10kHz 36.5 36.3 166.0 111.10.00.0 3.65×1011 3.63×1011 3 1kHz 10kHz 36.8 36.5 125.0 100.00.00.0 3.68×1011 3.65×1011 4 1kHz 10kHz 35.7 35.4 142.0 111.10.00.0 3.57×1011 3.54×1011
可以调谐本发明的天线，以改进增益。图6-12是表示通过增加调谐短线实现增益改进的曲线图，该图是频率(以GHz为单位度量的)对增益(以db为单位度量的)而绘制的。图6比较商用摩托罗拉天线(曲线A)与未经调谐的4号测试天线(曲线B)，其中标记1代表x、y坐标：1.525GHz-14.821db。图7比较未经调谐的2号测试天线(曲线A)与未经调谐的4号测试天线(曲线B)，其中标记1代表x、y坐标：1.575GHz-db。图8比较未经调谐的3号测试天线(曲线A)与未经调谐的4号测试天线(曲线B)，其中标记1代表x、y坐标：1/575GHz-16.843db。图兮表示在增加调谐短线后2号测试天线的增益，其中标记1代表x、y坐标：1.62GHz-13.098db。图10表示在增加调谐短线后3号测试天线的增益，其中标记1代表x、y坐标：1.62GHz-14.255db。图11表示在增加调谐短线后4号测试天线的增益，其中标记1代表x、y坐标：1.575GHz-15.32db。图12表示在增加调谐短线后4号测试天线的增益，其中标记1代表x、y坐标：1.55GHz-14.99db。从图6-12可以看出，对于4号测试天线进行调谐后得到的增益优于商用摩托罗拉天线，对于凋试后的2号天线和3号天线，情况亦是如此。
测试天线2、3、4在接收卫星信号方面都是成功的。从测试期间接收的信号以及信号的幅度可以看出，使用原始UNISHIELD导电涂层组合物代替金属基板的天线的性能与使用铜金属作为后板和插片的类似设计的天线的性能一样地好。记录的数据还表明，使用原始的UNISHIELD导电涂层组合物的天线具有与使用铜金属的类似天线相似的特性。
本发明的上述实施例和改进及变化都是可能的，这是本领域的普通技术人员按照上述的教导可能想像得到的。因此，应该理解，在所附权利要求书及其等效物的范围内，按照上述具体描述外的其它方式也可以实施本发明。