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《东华大学》 2009年
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基于三维正交机织复合材料的共形承载微带天线的研究

王昕  
【摘要】: 智能材料是二十世纪90年代迅速发展起来的一类新型复合材料,具有感知功能,能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度,如电,光,热等;具有驱动功能,能够响应外界变化,能够按照设定的方式选择和控制响应。智能材料被主要用于航空航天领域,如形变飞机、智能蒙皮技术等。最有效实现智能结构的方式是将智能元件嵌入到结构件里面,提高结构件的效率,比如嵌入至机翼和机身。目前世界上所研究开发的智能蒙受皮天线技术CLAS——共形承载天线结构,是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,提高抗损伤能力,消除空气阻力的影响。然而,复合材料层合板在结构上具有抗层间分离能力差、制作方法复杂、结构不规整无法制造全成形天线结构等缺点,因此大力发展基于三维机织复合材料的共形承载微带天线是研发下一代共形承载天线的必然趋势。这种结构对我国的航天飞行器,船舰的隐身以及公安国安部门的侦察等都有非常重要的意义。 本文采用Kevlar129和E玻纤作为增强纤维织造介质基板,设计并制作了两种侧馈微带天线结构,采用微带线馈电的方式,探索了制成大型天线阵列的可能性。本课题使用天线模拟仿真软件Ansoft HFSS,推导建立了适合于此类材料结构的分析模型,将设计的传统铜箔微带天线转换为实际织造的网格状织物天线结构,并改变纱线在预制件的排列密度来仿真织物微带天线的辐射性能。我们发现随着纱线间距S与铜丝纱直径D比值的增大——即三维机织复合材料预制件的纱线密度越稀疏,对应微带天线的VSWR绝对值越大,即回波损耗越大;谐振频率越往左偏移,即谐振频率越小;辐射方向图显示随着S/D比值的增大,天线的辐谢效率、增益越低,方向性越差。我们认为是织物天线的网格结构造成了辐射元的不连续性,从而影响了天线性能。我们将微带天线分成三个部分——微带线、贴片和接地板,分别将之转换成网格状织物结构,以确定是哪一部分引起了这种差别。结果显示微带线和接地板对天线性能的影响很小,VSWR值和辐射方向图与设计的传统铜箔微带天线没有明显差别,但谐振频率会向左偏移;贴片对天线性能有至关重要的影响:随着贴片中铜丝纱S/D比值的增大,对应微带天线的回波损耗越大,谐振频率越小,天线的辐射效率、增益降低,方向性受到极大削弱。当S/D比值为大于4.6时天线的增益呈现出负值。当S/D比值达到1.4时VSWR值基本等于1,辐射方向图与所设计的传统铜箔微带天线基本重合,达到使用要求。本文结合织造过程的实际情况,选取最优值S/D=1.7以实验过程对仿真结果加以验证。 织造过程中三维机织复合材料的表层和底层纱线被替换为铜丝股纱,根据复合材料预制件的纱线密度,使用特殊方法织造成与介质基板共形的天线贴片、微带线馈线和接地板,其辐射元和接地板都是由高性能增强纤维组成,在织造过程中被捆扎纱固结在结构中,故不会产生通常微带天线的受力变形后分层失效的问题。本实验中设计了两种天线贴片,正交贴片和平纹交织贴片。正交贴片中经纬向的铜丝纱为正交排列,由捆扎纱缚结,无交织点,平纹交织贴片采用两片铜丝纱交织而成,经纬向铜丝纱互相交织。两种天线预制件共四个样品(各含经纬向)通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,四个天线的VSWR值均接近1,回波损耗小,谐振频率稍偏移于设计的中心频率。两个方向的正交贴片微带天线的方向图与设计的传统铜箔微带天线有很好的一致性,而两个方向的平纹交织贴片微带天线的方向图旁瓣和背瓣较大,方向性较差。分析认为是贴片中铜丝纱屈曲波的存在降低了接地板的反射效率,一部分电磁波未被反射到最大辐射方向所致。四个天线的增益均为负值,分析认为是以下原因造成:三维机织复合材料微带天线在固化成型过程中表面包覆有一层树脂,增大了天线的损耗;铜丝股纱的圆形截面造成辐射电磁波不能完全被接地板反射,降低了辐射效率;介质基板中芳纶纤维吸水,影响其介电性能;设计参数与实际产生的偏差等。 本实验测试了所设计的基于三维机织复合材料的共形承载微带天线的力学性能,包括拉伸、弯曲、压缩和冲击四个项目。拉伸、弯曲和压缩实验结果表明基于三维机织复合材料的共形承载微带天线基本可以达到普通三维机织复合材料的力学性能,拉伸强度334MPa(不含铜丝接地板的普通三维机织复合材料的拉伸强度为343MPa),拉伸模量20.6 GPa(普通的为16.5 GPa);弯曲强度238 MPa(普通的为347 MPa),弯曲模量14.9 GPa(普通的为16.9 GPa);压缩强度164 MPa(普通的为165 MPa),压缩模量10.4 GPa(普通的为12.5 GPa)。而冲击测试数据未体现出材料断裂时表现的脆性,冲击强度只有6.29 kJ/m2,数据的离散度达67%之高。这是由于铜丝地板的存在干扰了复合材料的破坏机理,在相对较高速度冲击下(相比于弯曲时的准静态),最后一层柔性铜丝处于拉伸状态时不能承受如高强纤维承受的高负荷,从而极大降低了复合材料的冲击强度和能量吸收。因此我们得出结论,本课题所研发的基于三维机织复合材料的共形承载微带天线基本可以达到传统铜箔微带天线的性能要求,其力学性能总体上达到普通三维机织复合材料的标准,远远超越了传统微带天线介质基板——复合材料层合板的力学性能。
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