基于三維正交機(jī)織復(fù)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(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一類新型復(fù)合材料，具有感知功能，能夠檢測并且可以識別外界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如電，光，熱等；具有驅(qū)動功能，能夠響應(yīng)外界變化，能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)。智能材料被主要用于航空航天領(lǐng)域，如形變飛機(jī)、智能蒙皮技術(shù)等。最有效實(shí)現(xiàn)智能結(jié)構(gòu)的方式是將智能元件嵌入到結(jié)構(gòu)件里面，提高結(jié)構(gòu)件的效率，比如嵌入至機(jī)翼和機(jī)身。目前世界上所研究開發(fā)的智能蒙受皮天線技術(shù)CLAS——共形承載天線結(jié)構(gòu)，是采用微帶天線

2、與復(fù)合材料層合板或三明治中空結(jié)構(gòu)相結(jié)合的辦法，將微帶天線嵌入到結(jié)構(gòu)中，與航天器共形，以克服傳統(tǒng)天線在結(jié)構(gòu)上的缺陷，提高抗損傷能力，消除空氣阻力的影響。然而，復(fù)合材料層合板在結(jié)構(gòu)上具有抗層間分離能力差、制作方法復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不規(guī)整無法制造全成形天線結(jié)構(gòu)等缺點(diǎn)，因此大力發(fā)展基于三維機(jī)織復(fù)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(jié)構(gòu)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(qiáng)纖維織造介質(zhì)基板，設(shè)計并制作了兩種側(cè)饋微帶天線結(jié)構(gòu)，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(dǎo)建立了適合于此類材料結(jié)構(gòu)的分析模型，將設(shè)計的傳統(tǒng)銅箔微帶天線轉(zhuǎn)換為實(shí)際織造的網(wǎng)格狀織物天線結(jié)構(gòu)，并改變紗線在預(yù)制件的排列密度來仿真織物微帶天線的輻射性能。發(fā)現(xiàn)隨著紗線間距S與銅絲紗直徑D比值的增大——即三維機(jī)織復(fù)合材料預(yù)制件的紗線密度越稀疏

4、，對應(yīng)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(rèn)為是織物天線的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成網(wǎng)格狀織物結(jié)構(gòu)，以確定是哪一部分引起了這種差別。結(jié)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(shè)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(guān)重要的影響：隨著貼片中銅絲紗S/D比值的增大，對應(yīng)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(dāng)S/D比值為大于4.6時天線的增益呈現(xiàn)出負(fù)值。當(dāng)S/D比值達(dá)到1.4時VSWR值基本等于1，輻射方向圖與所設(shè)計的傳統(tǒng)銅箔微帶天線基本重合，達(dá)到使用要求。本文結(jié)合織造過程的實(shí)際情況，選取最優(yōu)值S/D=1.7以實(shí)驗(yàn)過程對仿真結(jié)果加以驗(yàn)證。
　　 織造過程

6、中三維機(jī)織復(fù)合材料的表層和底層紗線被替換為銅絲股紗，根據(jù)復(fù)合材料預(yù)制件的紗線密度，使用特殊方法織造成與介質(zhì)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(qiáng)纖維組成，在織造過程中被捆扎紗固結(jié)在結(jié)構(gòu)中，故不會產(chǎn)生通常微帶天線的受力變形后分層失效的問題。本實(shí)驗(yàn)中設(shè)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(jīng)緯向的銅絲紗為正交排列，由捆扎紗縛結(jié)，無交織點(diǎn)，平紋交織貼片采用兩片銅絲紗交織而成，經(jīng)緯向銅絲紗互相交織

7、。兩種天線預(yù)制件共四個樣品（各含經(jīng)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(jié)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(shè)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(shè)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(rèn)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(fù)值，分析認(rèn)

8、為是以下原因造成：三維機(jī)織復(fù)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(zhì)基板中芳綸纖維吸水，影響其介電性能；設(shè)計參數(shù)與實(shí)際產(chǎn)生的偏差等。
　　 本實(shí)驗(yàn)測試了所設(shè)計的基于三維機(jī)織復(fù)合材料的共形承載微帶天線的力學(xué)性能，包括拉伸、彎曲、壓縮和沖擊四個項(xiàng)目。拉伸、彎曲和壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于三維機(jī)織復(fù)合材料的共形承載微帶天線基本可以達(dá)到普通三

9、維機(jī)織復(fù)合材料的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度334MPa(不含銅絲接地板的普通三維機(jī)織復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為343MPa)，拉伸模量20.6GPa（普通的為16.5GPa）；彎曲強(qiáng)度238MPa(普通的為347MPa)，彎曲模量14.9GPa（普通的為16.9GPa）;壓縮強(qiáng)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(shù)據(jù)未體現(xiàn)出材料斷裂時表現(xiàn)的脆性，沖擊強(qiáng)度只有6.29kJ/m2，數(shù)據(jù)的離散