三維機(jī)織復(fù)合材料為基礎(chǔ)的共形承載側(cè)饋微帶天線的仿真設(shè)計(jì)和性能研究.pdf

1、智能系統(tǒng)的主要部件包括傳感器，激勵(lì)器，信息處理器和信號(hào)傳輸裝置。天線作為無(wú)線信號(hào)的主要傳輸裝置，在智能系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。因此，理想的智能結(jié)構(gòu)首先要解決的是其信息發(fā)射和接收能力。隨著航天工業(yè)，信息產(chǎn)業(yè)和社會(huì)需求的不斷發(fā)展，人們對(duì)天線裝置的電磁學(xué)性能和機(jī)械性能的要求也越來(lái)越高。微帶天線由于低剖面易共形的特點(diǎn)，具有更好的隱身性和可靠性，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。
　　 多數(shù)的智能天線系統(tǒng)采用鋪層結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料或者三明治結(jié)構(gòu)

2、復(fù)合材料作為基礎(chǔ)材料。然而，這種天線結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)是在受力時(shí)容易產(chǎn)生分層破壞導(dǎo)致天線性能失效。由于厚度方向上捆綁紗的存在，三維機(jī)織復(fù)合材料具有很好的結(jié)構(gòu)完整性和抗分層能力。如果將三維機(jī)織復(fù)合材料與微帶天線相結(jié)合可以得到良好機(jī)械性能和電磁學(xué)性能的三維機(jī)織復(fù)合材料天線結(jié)構(gòu)，從而提高傳統(tǒng)天線和其他新型天線結(jié)構(gòu)的抗分層能力。這種三維機(jī)織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)微帶天線的研究對(duì)我國(guó)的航天飛行器，船艦的隱形技術(shù)的發(fā)展以及公安部門(mén)的偵察工作都有重要意義。本論文重

3、點(diǎn)針對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料側(cè)饋微帶天線的仿真設(shè)計(jì)，天線電磁學(xué)性能的影響因素和天線結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)性的理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 本論文研究的目的是：
　　 1.建立三維機(jī)織復(fù)合材料側(cè)饋微帶天線仿真模型并系統(tǒng)研究影響天線性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)和其它因素。
　　 2.制作三維機(jī)織復(fù)合材料側(cè)饋微帶天線，并研究其電磁學(xué)性能和抗沖擊性能。
　　 3.在天線性能影響因素的仿真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化三維機(jī)織復(fù)合材料側(cè)饋微帶天線的

4、設(shè)計(jì)，以提高天線的增益。
　　 4.系統(tǒng)的研究分析三維機(jī)織復(fù)合材料側(cè)饋微帶天線結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和破壞模式。
　　 以下是本研究的具體內(nèi)容和結(jié)果：
　　 首先，采用微帶天線設(shè)計(jì)理論和電磁學(xué)仿真軟件對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料側(cè)饋微帶天線進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能仿真；依據(jù)仿真設(shè)計(jì)的相關(guān)結(jié)論，制作三維機(jī)織復(fù)合材料天線并進(jìn)行天線性能測(cè)試。在仿真過(guò)程中，建立了二維片狀網(wǎng)格模型，三維長(zhǎng)方體網(wǎng)格模型和三維圓柱體網(wǎng)格模型。結(jié)果顯示，二維片狀網(wǎng)格模

5、型具有建模簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、容易求解等特點(diǎn)；三維長(zhǎng)方體網(wǎng)格模型可以模擬銅絲在厚度方向上的影響，也可以模擬銅絲網(wǎng)格的織物結(jié)構(gòu)；三維圓柱體網(wǎng)格模型最接近銅絲的實(shí)際形態(tài)，準(zhǔn)確性更高?；谝陨系姆抡嫜芯抗ぷ鳎瑢?shí)際制作了以芳綸乙烯基板和玻纖乙烯基板作為基板材料的天線，并對(duì)天線進(jìn)行了駐波比和方向圖特性測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，玻纖乙烯基天線在共振頻率1.31GHz時(shí)駐波比為1.18，芳綸乙烯基天線在共振頻率1.32GHz時(shí)駐波比為1.05，兩組天線的駐波比

6、均能滿足天線正常工作要求。方向圖測(cè)試結(jié)果表明兩組天線的方向圖形狀與傳統(tǒng)天線類(lèi)似，具有很好的定向性。通過(guò)以上測(cè)試，初步證實(shí)了此類(lèi)天線較好的電磁性能。但兩組三維機(jī)織復(fù)合材料天線增益的測(cè)試結(jié)果是-4.7dB和-5.9dB，需要進(jìn)一步提高。通過(guò)對(duì)天線的沖擊測(cè)試表明，三維機(jī)織復(fù)合材料天線在15焦耳的能量的沖擊下駐波比仍為1.25，證實(shí)了三維機(jī)織復(fù)合材料微帶天線比其它共形承載天線更加優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗沖擊性能。
　　 其次，為了優(yōu)化三維機(jī)

7、織復(fù)合材料天線的性能，我們通過(guò)仿真方法從理論上進(jìn)一步分析了影響天線性能的主要因素，包括：輻射單元中導(dǎo)電紗線的織造方向、織造結(jié)構(gòu)、織造密度和有無(wú)樹(shù)脂覆蓋等，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。具體如下：(1)在導(dǎo)電紗線的織造方向?qū)μ炀€性能的影響研究中，當(dāng)導(dǎo)電紗線沿饋電方向織造時(shí)，天線在共振頻率1.39GHz時(shí)駐波比為1.4，增益為-3.7dB；當(dāng)導(dǎo)電紗線沿垂直饋電方向織造時(shí)，天線在共振頻率1.35 GHz時(shí)駐波比為1.2，增益為-5.3dB。結(jié)果表明，輻射

8、單元中導(dǎo)電紗線沿饋電方向織造時(shí)，天線具有更精確的共振頻率和更高的增益性能。(2)在導(dǎo)電紗線的織造結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能影響的研究中，探討了輻射單元中導(dǎo)電紗線為正交結(jié)構(gòu)和平紋結(jié)構(gòu)的天線。結(jié)果顯示，正交結(jié)構(gòu)天線的駐波比為1.05，具有很好的方向圖特性；而平紋結(jié)構(gòu)的駐波比為1.87，并且方向圖中具有明顯的旁瓣，說(shuō)明平紋結(jié)構(gòu)中導(dǎo)電紗線彎曲起伏的形態(tài)造成了輻射的偏移，影響了天線的駐波比和方向圖特性。(3)在輻射單元中導(dǎo)電紗線織造密度對(duì)天線性能影響的研究中

9、，當(dāng)導(dǎo)電紗線的直徑與導(dǎo)電紗線的間距比為1時(shí)，天線在共振頻率1.49GHz時(shí)駐波比為1.4，增益2.9dB；當(dāng)導(dǎo)電紗線的直徑與間距比為1:4時(shí)，天線在共振頻率1.31GHz時(shí)駐波比為3.9，增益下降至1.5dB。結(jié)果表明當(dāng)導(dǎo)電紗線的直徑與間距比小于1時(shí)，天線的駐波比和方向圖性能會(huì)隨著導(dǎo)電紗線織造密度的下降而降低。說(shuō)明保證導(dǎo)電紗線較高的織造密度對(duì)三維機(jī)織復(fù)合材料天線的性能有重要的影響。(4)在研究樹(shù)脂覆蓋層對(duì)天線性能的影響中，通過(guò)仿真方法系

10、統(tǒng)的探討了樹(shù)脂覆蓋層的厚度，介電常數(shù)和介電損耗角正切對(duì)天線性能的影響，并運(yùn)用改進(jìn)的真空輔助樹(shù)脂傳遞成型工藝實(shí)現(xiàn)了無(wú)樹(shù)脂覆蓋層的天線。結(jié)果顯示，無(wú)樹(shù)脂覆蓋的天線具有更準(zhǔn)確的共振頻率性能，同時(shí)天線增益為0.5dB比有樹(shù)脂覆蓋層的天線的增益(-3.6dB)明顯提高。由于大多數(shù)的紡織結(jié)構(gòu)天線都是將導(dǎo)電紗線織入到結(jié)構(gòu)件中，所以以上內(nèi)容的研究不僅可以?xún)?yōu)化三維機(jī)織復(fù)合材料天線的性能，而且對(duì)其它類(lèi)型紡織結(jié)構(gòu)天線也有重要的借鑒作用。
　　 最后，

11、在三維機(jī)織復(fù)合材料天線電磁學(xué)性能研究基礎(chǔ)上，對(duì)天線結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究和分析。研究了雙面覆銅絲板，單面覆銅絲板和聚四氟乙烯覆銅板的拉伸、壓縮、彎曲和沖擊性能，具體如下：(1)對(duì)拉伸測(cè)試結(jié)果的分析表明，單面覆銅絲板具有最好的拉伸性能，其中歸一化強(qiáng)度為1614MPa，比雙面覆銅絲板和四氟乙烯覆銅板分別高出25％和92％；歸一化拉伸模量為112GPa，比雙面覆銅絲板和聚四氟乙烯覆銅板分別高出60％和155％。三維機(jī)織復(fù)合材料覆銅絲板的

12、優(yōu)異的拉伸性能主要是由于三維機(jī)織復(fù)合材料中紗線完全伸直，充分發(fā)揮出增強(qiáng)作用，并且玻纖與乙烯基樹(shù)脂的良好的界面粘附性所致。(2)對(duì)壓縮測(cè)試結(jié)果的分析表明，單面和雙面覆銅絲板的歸一化壓縮強(qiáng)度為663.9MPa和721.8MPa遠(yuǎn)高于聚四氟乙烯覆銅板266.4MPa。原因是厚度方向的捆綁紗使三維機(jī)織復(fù)合材料整體性好且受力分布均勻；而鋪層結(jié)構(gòu)的聚四氟乙烯覆銅板受壓時(shí)容易產(chǎn)生層間開(kāi)裂和滑移導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度較差。(3)對(duì)彎曲測(cè)試的結(jié)果分析表明，單面覆銅

13、絲板具有最高的歸一化彎曲強(qiáng)度為963.6MPa，比雙面覆銅絲板和聚四氟乙烯覆銅板分別高出26％和31％；同時(shí)單面覆銅絲板和雙面覆銅絲板歸一化彎曲模量分別為60.3GPa和60.9GPa，高于聚四氟乙烯覆銅板25％左右。三維機(jī)織復(fù)合材料覆銅絲板的優(yōu)異的彎曲性能也是由良好的整體性和界面性能導(dǎo)致。(4)對(duì)沖擊測(cè)試結(jié)果的分析表明，聚四氟乙烯覆銅板、雙面覆銅絲板和單面覆銅絲板的歸一化抗沖擊韌性分別為206.3KJ/m2，74.7 KJ/m2和31

14、.1 KJ/m2。三維機(jī)織結(jié)構(gòu)的覆銅絲板的沖擊性能可以通過(guò)采用聚四氟乙烯等熱塑性樹(shù)脂進(jìn)行增韌提高。綜合以上力學(xué)性能研究及其破壞模式的分析表明，三維機(jī)織結(jié)構(gòu)的覆銅絲板具有良好的力學(xué)性能和抗分層能力以及結(jié)構(gòu)整體性。
　　 以上研究工作表明，設(shè)計(jì)制作以三維機(jī)織復(fù)合材料為基礎(chǔ)的共形承載側(cè)饋微帶天線完全可行。所設(shè)計(jì)的此種結(jié)構(gòu)天線相比傳統(tǒng)微帶天線和其它共形承載天線具有更好的結(jié)構(gòu)完整性和抗分層能力。在對(duì)輻射單元中導(dǎo)電紗線的織造方向、織造結(jié)構(gòu)、