三維正交機(jī)織共形柔性及陣列微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)和性能研究.pdf

1、微帶天線(xiàn)作為天線(xiàn)家族的重要成員，具有良好的天線(xiàn)性能，而且由于其易于共形，與其它天線(xiàn)結(jié)構(gòu)相比，還具備良好的隱身性，不占用空間，不影響飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)性能。隨著智能結(jié)構(gòu)和智能材料的發(fā)展，智能技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，其中嵌入技術(shù)是智能結(jié)構(gòu)中最主要的技術(shù)。運(yùn)用嵌入技術(shù)可以將微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)與三維正交織物增強(qiáng)復(fù)合材料一體化，不僅不破壞天線(xiàn)的天線(xiàn)性能和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體性能，而且可以改善天線(xiàn)的機(jī)械性能，克服了傳統(tǒng)突出式天線(xiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)高速飛行器空氣動(dòng)力學(xué)性能的

2、影響和層壓共形承載天線(xiàn)結(jié)構(gòu)易分層的缺陷，滿(mǎn)足了高速飛行器等對(duì)天線(xiàn)機(jī)械性能和天線(xiàn)性能的要求，對(duì)我國(guó)航空航天和軍事偵察等領(lǐng)域有著重要的價(jià)值。運(yùn)用嵌入技術(shù)也可以將微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)與紡織結(jié)構(gòu)織物一體化，構(gòu)成新型的紡織結(jié)構(gòu)天線(xiàn)，不僅可以保持良好的天線(xiàn)電磁性能，而且具有優(yōu)異的共形性特點(diǎn)，在軍事上和民事應(yīng)用中具有重要的實(shí)際意義。
　　 本論文分別對(duì)三維正交機(jī)織共形承載微帶天線(xiàn)陣和紡織結(jié)構(gòu)柔性微帶天線(xiàn)及天線(xiàn)陣的性能進(jìn)行了研究，使用高頻仿真軟件(An

3、softHFSS)建立天線(xiàn)模型，設(shè)計(jì)并制作了L波段(1-2GHz)諧振頻率為1.5GHz的共形承載四元微帶天線(xiàn)陣、一元柔性微帶天線(xiàn)、二元柔性微帶天線(xiàn)陣和四元柔性微帶天線(xiàn)陣。此外，為探討制作此類(lèi)共形天線(xiàn)時(shí)，織入的導(dǎo)電線(xiàn)即銅絞線(xiàn)對(duì)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的影響，分別測(cè)試了乙烯基復(fù)合材料板(不含銅絞線(xiàn))和乙烯基天線(xiàn)基板(含銅絞線(xiàn))的拉伸性能和彎曲性能，并對(duì)上述兩種性能進(jìn)行了比較研究。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　 (1)四元共形承載微帶天線(xiàn)陣的實(shí)測(cè)

4、結(jié)果與仿真結(jié)果相比，由于受天線(xiàn)織造過(guò)程中天線(xiàn)尺寸誤差、樹(shù)脂覆蓋、天線(xiàn)基板中的空隙和測(cè)試環(huán)境等因素的影響，天線(xiàn)的實(shí)測(cè)諧振頻率是1.79GHz，實(shí)測(cè)帶寬為10.08％，駐波比為1.16，天線(xiàn)的增益為0.49dB，表明該天線(xiàn)可以在L波段工作。此外，對(duì)天線(xiàn)性能的影響參數(shù)等進(jìn)行了必要的分析，為四元微帶天線(xiàn)陣的改進(jìn)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提供了依據(jù)。
　　 (2)乙烯基復(fù)合材料板的緯向歸一化拉伸強(qiáng)度(此處“歸一化”代表力學(xué)性能指標(biāo)均除以對(duì)應(yīng)方向的纖維

5、體積含量，以下同)為1615.27MPa，歸一化模量為91.75GPa，乙烯基復(fù)合材料板的歸一化拉伸強(qiáng)度和歸一化模量分別比乙烯基天線(xiàn)基板的高30.61％和13.83％。乙烯基復(fù)合材料板的歸一化彎曲強(qiáng)度為2340.02MPa，歸一化彎曲模量為78.26GPa，乙烯基復(fù)合材料板的歸一化彎曲強(qiáng)度和歸一化彎曲模量分別比乙烯基天線(xiàn)基板的高971.15MPa和3.68％。可見(jiàn)乙烯基復(fù)合材料板的拉伸性能和彎曲性能優(yōu)于乙烯基天線(xiàn)基板，而乙烯基天線(xiàn)基板與

6、乙烯基復(fù)合材料板相比所不同的是乙烯基天線(xiàn)基板中含有銅絞線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，可見(jiàn)銅絞線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)乙烯基天線(xiàn)基板的拉伸性能和彎曲性能影響較大。根據(jù)此分析，擬在今后研究工作中采用較細(xì)的銅絞線(xiàn)，以降低銅絞線(xiàn)的織入對(duì)天線(xiàn)基板機(jī)械性能的影響。
　　 (3)在平面條件下，一元柔性微帶天線(xiàn)的性能指標(biāo)基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件的要求，實(shí)測(cè)諧振頻率為1.7GHz，帶寬為3.56％，駐波比為1.47，E面增益為2.25dB，H面增益為2.41dB。圓柱曲率半徑對(duì)天線(xiàn)諧振頻率、

7、回波損耗、駐波比、帶寬和方向圖無(wú)顯著影響。隨著圓柱曲率半徑的減小，天線(xiàn)增益呈下降趨勢(shì)，當(dāng)曲率半徑小于等于一個(gè)波長(zhǎng)即171mm時(shí)，對(duì)天線(xiàn)E面和H面增益有較大的影響。天線(xiàn)性能隨著圓柱曲率半徑的變化，具有較好的穩(wěn)定性，并為柔性微帶天線(xiàn)陣的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 (4)在平面條件下，二元柔性微帶天線(xiàn)陣的性能指標(biāo)基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件的要求，實(shí)測(cè)的諧振頻率為1.5GHz，帶寬為3.32％，駐波比為1.15，天線(xiàn)在1.5GHz處獲得E面增益為

8、6.15dB，H面增益為6.45dB。實(shí)測(cè)方向圖與仿真方向圖形狀基本一致。二元柔性微帶天線(xiàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果較好地吻合。圓柱曲率半徑對(duì)天線(xiàn)諧振頻率、回波損耗、駐波比、帶寬和方向圖無(wú)顯著影響。隨著圓柱曲率半徑的減小，天線(xiàn)E面增益呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，天線(xiàn)H面增益呈無(wú)規(guī)律變化，而且天線(xiàn)性能隨著圓柱曲率半徑的變化，具有較好的穩(wěn)定性，并為四元柔性微帶天線(xiàn)陣的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 (5)在平面條件下，四元柔性微帶天線(xiàn)陣的性能指標(biāo)基本滿(mǎn)足設(shè)

9、計(jì)條件的要求，實(shí)測(cè)的諧振頻率為1.5GHz，帶寬為7.93％，駐波比為1.10;在實(shí)測(cè)方向圖中，E面在348°方向達(dá)到最大值，H面在0°方向達(dá)到最大值;天線(xiàn)在1.5GHz處獲得E面增益為7.34dB，H面增益為6.73dB。圓柱曲率半徑對(duì)天線(xiàn)諧振頻率、回波損耗、駐波比、帶寬、方向圖和增益無(wú)顯著影響，而且天線(xiàn)性能隨著圓柱曲率半徑的變化，具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件有針對(duì)性地選擇合適的圓柱曲率半徑范圍，并為以后多元柔性微帶天線(xiàn)陣在