基于三維正交機織復合材料的共形承載微帶天線的研究.pdf

1、智能材料是二十世紀90年代迅速發(fā)展起來的一類新型復合材料，具有感知功能，能夠檢測并且可以識別外界（或者內部）的刺激強度，如電，光，熱等；具有驅動功能，能夠響應外界變化，能夠按照設定的方式選擇和控制響應。智能材料被主要用于航空航天領域，如形變飛機、智能蒙皮技術等。最有效實現智能結構的方式是將智能元件嵌入到結構件里面，提高結構件的效率，比如嵌入至機翼和機身。目前世界上所研究開發(fā)的智能蒙受皮天線技術CLAS——共形承載天線結構，是采用微帶天線

2、與復合材料層合板或三明治中空結構相結合的辦法，將微帶天線嵌入到結構中，與航天器共形，以克服傳統(tǒng)天線在結構上的缺陷，提高抗損傷能力，消除空氣阻力的影響。然而，復合材料層合板在結構上具有抗層間分離能力差、制作方法復雜、結構不規(guī)整無法制造全成形天線結構等缺點，因此大力發(fā)展基于三維機織復合材料的共形承載微帶天線是研發(fā)下一代共形承載天線的必然趨勢。這種結構對我國的航天飛行器，船艦的隱身以及公安國安部門的偵察等都有非常重要的意義。
　　 本

3、文采用Kevlar129和E玻纖作為增強纖維織造介質基板，設計并制作了兩種側饋微帶天線結構，采用微帶線饋電的方式，探索了制成大型天線陣列的可能性。本課題使用天線模擬仿真軟件Ansoft HFSS，推導建立了適合于此類材料結構的分析模型，將設計的傳統(tǒng)銅箔微帶天線轉換為實際織造的網格狀織物天線結構，并改變紗線在預制件的排列密度來仿真織物微帶天線的輻射性能。發(fā)現隨著紗線間距S與銅絲紗直徑D比值的增大——即三維機織復合材料預制件的紗線密度越稀疏

4、，對應微帶天線的VSWR絕對值越大，即回波損耗越大；諧振頻率越往左偏移，即諧振頻率越??；輻射方向圖顯示隨著S/D比值的增大，天線的輻謝效率、增益越低，方向性越差。認為是織物天線的網格結構造成了輻射元的不連續(xù)性，從而影響了天線性能。將微帶天線分成三個部分——微帶線、貼片和接地板，分別將之轉換成網格狀織物結構，以確定是哪一部分引起了這種差別。結果顯示微帶線和接地板對天線性能的影響很小，VSWR值和輻射方向圖與設計的傳統(tǒng)銅箔微帶天線沒有明顯差

5、別，但諧振頻率會向左偏移；貼片對天線性能有至關重要的影響：隨著貼片中銅絲紗S/D比值的增大，對應微帶天線的回波損耗越大，諧振頻率越小，天線的輻射效率、增益降低，方向性受到極大削弱。當S/D比值為大于4.6時天線的增益呈現出負值。當S/D比值達到1.4時VSWR值基本等于1，輻射方向圖與所設計的傳統(tǒng)銅箔微帶天線基本重合，達到使用要求。本文結合織造過程的實際情況，選取最優(yōu)值S/D=1.7以實驗過程對仿真結果加以驗證。
　　 織造過程

6、中三維機織復合材料的表層和底層紗線被替換為銅絲股紗，根據復合材料預制件的紗線密度，使用特殊方法織造成與介質基板共形的天線貼片、微帶線饋線和接地板，其輻射元和接地板都是由高性能增強纖維組成，在織造過程中被捆扎紗固結在結構中，故不會產生通常微帶天線的受力變形后分層失效的問題。本實驗中設計了兩種天線貼片，正交貼片和平紋交織貼片。正交貼片中經緯向的銅絲紗為正交排列，由捆扎紗縛結，無交織點，平紋交織貼片采用兩片銅絲紗交織而成，經緯向銅絲紗互相交織

7、。兩種天線預制件共四個樣品（各含經緯向）通過真空輔助樹脂浸潤法固化成型。天線性能的測試結果表明，四個天線的VSWR值均接近1，回波損耗小，諧振頻率稍偏移于設計的中心頻率。兩個方向的正交貼片微帶天線的方向圖與設計的傳統(tǒng)銅箔微帶天線有很好的一致性，而兩個方向的平紋交織貼片微帶天線的方向圖旁瓣和背瓣較大，方向性較差。分析認為是貼片中銅絲紗屈曲波的存在降低了接地板的反射效率，一部分電磁波未被反射到最大輻射方向所致。四個天線的增益均為負值，分析認

8、為是以下原因造成：三維機織復合材料微帶天線在固化成型過程中表面包覆有一層樹脂，增大了天線的損耗；銅絲股紗的圓形截面造成輻射電磁波不能完全被接地板反射，降低了輻射效率；介質基板中芳綸纖維吸水，影響其介電性能；設計參數與實際產生的偏差等。
　　 本實驗測試了所設計的基于三維機織復合材料的共形承載微帶天線的力學性能，包括拉伸、彎曲、壓縮和沖擊四個項目。拉伸、彎曲和壓縮實驗結果表明基于三維機織復合材料的共形承載微帶天線基本可以達到普通三

9、維機織復合材料的力學性能，拉伸強度334MPa(不含銅絲接地板的普通三維機織復合材料的拉伸強度為343MPa)，拉伸模量20.6GPa（普通的為16.5GPa）；彎曲強度238MPa(普通的為347MPa)，彎曲模量14.9GPa（普通的為16.9GPa）;壓縮強度164MPa(普通的為165MPa)，壓縮模量10.4GPa(普通的為12.5GPa)。而沖擊測試數據未體現出材料斷裂時表現的脆性，沖擊強度只有6.29kJ/m2，數據的離散