三維正交機織共形柔性及陣列微帶天線的設(shè)計和性能研究.pdf

1、微帶天線作為天線家族的重要成員，具有良好的天線性能，而且由于其易于共形，與其它天線結(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)。運用嵌入技術(shù)可以將微帶天線結(jié)構(gòu)與三維正交織物增強復(fù)合材料一體化，不僅不破壞天線的天線性能和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體性能，而且可以改善天線的機械性能，克服了傳統(tǒng)突出式天線結(jié)構(gòu)對高速飛行器空氣動力學(xué)性能的

2、影響和層壓共形承載天線結(jié)構(gòu)易分層的缺陷，滿足了高速飛行器等對天線機械性能和天線性能的要求，對我國航空航天和軍事偵察等領(lǐng)域有著重要的價值。運用嵌入技術(shù)也可以將微帶天線結(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，不僅可以保持良好的天線電磁性能，而且具有優(yōu)異的共形性特點，在軍事上和民事應(yīng)用中具有重要的實際意義。
　　 本論文分別對三維正交機織共形承載微帶天線陣和紡織結(jié)構(gòu)柔性微帶天線及天線陣的性能進行了研究，使用高頻仿真軟件(An

3、softHFSS)建立天線模型，設(shè)計并制作了L波段(1-2GHz)諧振頻率為1.5GHz的共形承載四元微帶天線陣、一元柔性微帶天線、二元柔性微帶天線陣和四元柔性微帶天線陣。此外，為探討制作此類共形天線時，織入的導(dǎo)電線即銅絞線對天線結(jié)構(gòu)機械性能的影響，分別測試了乙烯基復(fù)合材料板(不含銅絞線)和乙烯基天線基板(含銅絞線)的拉伸性能和彎曲性能，并對上述兩種性能進行了比較研究。具體研究內(nèi)容如下:
　　 (1)四元共形承載微帶天線陣的實測

4、結(jié)果與仿真結(jié)果相比，由于受天線織造過程中天線尺寸誤差、樹脂覆蓋、天線基板中的空隙和測試環(huán)境等因素的影響，天線的實測諧振頻率是1.79GHz，實測帶寬為10.08％，駐波比為1.16，天線的增益為0.49dB，表明該天線可以在L波段工作。此外，對天線性能的影響參數(shù)等進行了必要的分析，為四元微帶天線陣的改進設(shè)計和實際應(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度(此處“歸一化”代表力學(xué)性能指標(biāo)均除以對應(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度和歸一化模量分別比乙烯基天線基板的高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度和歸一化彎曲模量分別比乙烯基天線基板的高971.15MPa和3.68％。可見乙烯基復(fù)合材料板的拉伸性能和彎曲性能優(yōu)于乙烯基天線基板，而乙烯基天線基板與

6、乙烯基復(fù)合材料板相比所不同的是乙烯基天線基板中含有銅絞線網(wǎng)絡(luò)，可見銅絞線網(wǎng)絡(luò)對乙烯基天線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，以降低銅絞線的織入對天線基板機械性能的影響。
　　 (3)在平面條件下，一元柔性微帶天線的性能指標(biāo)基本滿足設(shè)計條件的要求，實測諧振頻率為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。圓柱曲率半徑對天線諧振頻率、

7、回波損耗、駐波比、帶寬和方向圖無顯著影響。隨著圓柱曲率半徑的減小，天線增益呈下降趨勢，當(dāng)曲率半徑小于等于一個波長即171mm時，對天線E面和H面增益有較大的影響。天線性能隨著圓柱曲率半徑的變化，具有較好的穩(wěn)定性，并為柔性微帶天線陣的研究提供了實驗基礎(chǔ)。
　　 (4)在平面條件下，二元柔性微帶天線陣的性能指標(biāo)基本滿足設(shè)計條件的要求，實測的諧振頻率為1.5GHz，帶寬為3.32％，駐波比為1.15，天線在1.5GHz處獲得E面增益為

8、6.15dB，H面增益為6.45dB。實測方向圖與仿真方向圖形狀基本一致。二元柔性微帶天線的實測結(jié)果與仿真結(jié)果較好地吻合。圓柱曲率半徑對天線諧振頻率、回波損耗、駐波比、帶寬和方向圖無顯著影響。隨著圓柱曲率半徑的減小，天線E面增益呈現(xiàn)下降趨勢，天線H面增益呈無規(guī)律變化，而且天線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陣的研究提供了實驗基礎(chǔ)。
　　 (5)在平面條件下，四元柔性微帶天線陣的性能指標(biāo)基本滿足設(shè)

9、計條件的要求，實測的諧振頻率為1.5GHz，帶寬為7.93％，駐波比為1.10;在實測方向圖中，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。圓柱曲率半徑對天線諧振頻率、回波損耗、駐波比、帶寬、方向圖和增益無顯著影響，而且天線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)實際應(yīng)用條件有針對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陣在