基于正交机织复合材料的共形承载微带天线阵列的研究
天线作为无线信号的接收和发射端在各个领域都有广泛而重要的应用。然而传统天线存在外形突出,空气阻力大,易于被发现等问题。随着二十世纪90年代迅速发展起来的“智能材料”的感念的推广,如智能蒙皮一类的技术迅速发展,出现了将智能元件嵌入到结构件里面,提高结构件的效率的设计。同时,出于高性能航空器对于空气动力,隐身性能和对天线结构强度等的高要求,采用微带天线与复合材料层合板或三明治中空结构相结合的办法,将微带天线嵌入到结构中,与航天器共形,以克服传统天线在结构上的缺陷的共形承载天线结构被广泛关注。但是,单元天线结构在远距离通信时常常无法达到高增益的要求,为提高增益,必然提高天线的电学尺寸即提高单个天线物理尺寸或者多个辐射单元规则排列共同工作的阵列结构。由于频率,飞行器外形和制作工艺的限制,无限提高单元天线的尺寸不现实也不必要,相比之下,通过扩展能实现扫描,单个单元破坏仍然能工作的阵列结构,具有更强的扩展性和实用性。同时三维机织结构能很好的克服航空器上应用的传统层合板与三明治结构复合材料受冲击都易于分层破坏从而造成天线结构的破坏失效的弱点。将二者结合起来的天线结构设计对先进飞行器,舰艇等的隐形与性能提高都有重要意义。 本文采用E型玻璃纤维作为增强纤维,乙烯基树脂作为增强基制作介质基板,设计并制作了两种微带天线阵列结构和相应的馈电网络。本课题使用天线模拟仿真软件(Ansoft HFSS),推导建立了分析模型,分析了不同阻抗匹配网络在三维机织复合材料上的具体表现和可行性。对于1×2阵列,利用单元模拟获得其特征阻抗,并设计匹配网络与功率二分器,对于2×2阵列在已有单元特征阻抗的前提下进行了三种具有代表性的阻抗网络的对比,分别以分散阻抗,分散网络面积以及尽可能降低阻抗网络面积为原则进行设计与模拟。发现阻抗网络的存在会一定程度影响天线辐射元的方向图,但是单一降低阻抗网络面积会引起额外的功率耗散和发热,而且过窄的馈电线路在现有织造条件下不易实现,精度很差有可能引起阻抗失配,分散阻抗效果最好VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)可达1.1至1.4,模拟增益可达3到4dB左右,方向图相对基本无畸变,但是几乎所有阵列都存在谐振频率偏移的问题而不能于1.5Ghz处谐振,并且均是向左偏移,其中2×2阵列偏移最为严重,部分结果可偏移至1.2Ghz左右,可认为是由于阵列对于设计误差的放大作用造成的。织造过程中三维机织复合材料的部分表层和全部底层纱线被替换为铜丝股纱,根据阵列设计与复合材料密度要求,使用独特方法织造成与介质基板共形的辐射单元,馈线网络和接地板,由于辐射元,接地板和馈线网络都是由高性能增强纤维组成,并由织机一次织造成型,厚度方向上由Z yarn固结,故不会产生通常复合材料层合板的受力变形后分层失效的问题。实验一共织造四个天线阵列试样包括三个1×2阵列与一个2×2阵列并分别采用侧馈与背馈馈电方式,所有试样都经过真空辅助树脂浸润法固化成型。天线性能的测试结果表明所有阵列试样的谐振频率都接近预定的中心频率1.5Ghz,其中两个1×2阵列VSWR可达1.1左右,方向图与模拟吻合完好,前瓣集中,后瓣较小,增益可以达到2dB左右基本实现设计目标,后两个试样方向图和VSWR与模拟相近,其中2×2阵列的前瓣集中程度最高,具有很好的方向性,但是后两个试样的增益均远低于0为-8dB左右,分析认为第二批试样树脂变质导致介电损耗急剧上升引起增益的异常下降。同时所有方向图测试结果都有E面优于H面的趋势,经分析可能是由于织造过程中经纬向导电纱线的细度不同造成的。
正交机织复合材料;共形承载;微带天线阵列;结构强度
东华大学
硕士
纺织材料与纺织品设计
邱夷平
2010
中文
TB332;TN822.4
109
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）