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三维机织复合材料为基础的共形承载侧馈微带天线的仿真设计和性能研究

许福军  
【摘要】:智能系统的主要部件包括传感器,激励器,信息处理器和信号传输装置。天线作为无线信号的主要传输装置,在智能系统中起着至关重要的作用。因此,理想的智能结构首先要解决的是其信息发射和接收能力。随着航天工业,信息产业和社会需求的不断发展,人们对天线装置的电磁学性能和机械性能的要求也越来越高。微带天线由于低剖面易共形的特点,具有更好的隐身性和可靠性,被广泛应用于各个领域。 多数的智能天线系统采用铺层结构的纤维增强复合材料或者三明治结构复合材料作为基础材料。然而,这种天线结构的最大缺点是在受力时容易产生分层破坏导致天线性能失效。由于厚度方向上捆绑纱的存在,三维机织复合材料具有很好的结构完整性和抗分层能力。如果将三维机织复合材料与微带天线相结合可以得到良好机械性能和电磁学性能的三维机织复合材料天线结构,从而提高传统天线和其他新型天线结构的抗分层能力。这种三维机织复合材料结构微带天线的研究对我国的航天飞行器,船舰的隐形技术的发展以及公安部门的侦察工作都有重要意义。本论文重点针对三维机织复合材料侧馈微带天线的仿真设计,天线电磁学性能的影响因素和天线结构力学性能进行系统性的理论和实验研究。 本论文研究的目的是: 1.建立三维机织复合材料侧馈微带天线仿真模型并系统研究影响天线性能的结构参数和其它因素。 2.制作三维机织复合材料侧馈微带天线,并研究其电磁学性能和抗冲击性能。 3在天线性能影响因素的仿真分析的基础上,进一步优化三维机织复合材料侧馈微带天线的设计,以提高天线的增益。 4.系统的研究分析三维机织复合材料侧馈微带天线结构的力学性能和破坏模式。 以下是本研究的具体内容和结果: 首先,采用微带天线设计理论和电磁学仿真软件对三维机织复合材料侧馈微带天线进行结构设计和性能仿真;依据仿真设计的相关结论,制作三维机织复合材料天线并进行天线性能测试。在仿真过程中,建立了二维片状网格模型,三维长方体网格模型和三维圆柱体网格模型。结果显示,二维片状网格模型具有建模简单、计算量小、容易求解等特点;三维长方体网格模型可以模拟铜丝在厚度方向上的影响,也可以模拟铜丝网格的织物结构;三维圆柱体网格模型最接近铜丝的实际形态,准确性更高。基于以上的仿真研究工作,实际制作了以芳纶乙烯基板和玻纤乙烯基板作为基板材料的天线,并对天线进行了驻波比和方向图特性测试。测试结果表明,玻纤乙烯基天线在共振频率1.31GHz时驻波比为1.18,芳纶乙烯基天线在共振频率1.32GHz时驻波比为1.05,两组天线的驻波比均能满足天线正常工作要求。方向图测试结果表明两组天线的方向图形状与传统天线类似,具有很好的定向性。通过以上测试,初步证实了此类天线较好的电磁性能。但两组三维机织复合材料天线增益的测试结果是-4.7dB和-5.9dB,需要进一步提高。通过对天线的冲击测试表明,三维机织复合材料天线在15焦耳的能量的冲击下驻波比仍为1.25,证实了三维机织复合材料微带天线比其它共形承载天线更加优异的结构稳定性和抗冲击性能。 其次,为了优化三维机织复合材料天线的性能,我们通过仿真方法从理论上进一步分析了影响天线性能的主要因素,包括:辐射单元中导电纱线的织造方向、织造结构、织造密度和有无树脂覆盖等,并进行了实验验证。具体如下:(1)在导电纱线的织造方向对天线性能的影响研究中,当导电纱线沿馈电方向织造时,天线在共振频率1.39GHz时驻波比为1.4,增益为-3.7dB;当导电纱线沿垂直馈电方向织造时,天线在共振频率1.35 GHz时驻波比为1.2,增益为-5.3dB。结果表明,辐射单元中导电纱线沿馈电方向织造时,天线具有更精确的共振频率和更高的增益性能。(2)在导电纱线的织造结构对天线性能影响的研究中,探讨了辐射单元中导电纱线为正交结构和平纹结构的天线。结果显示,正交结构天线的驻波比为1.05,具有很好的方向图特性;而平纹结构的驻波比为1.87,并且方向图中具有明显的旁瓣,说明平纹结构中导电纱线弯曲起伏的形态造成了辐射的偏移,影响了天线的驻波比和方向图特性。(3)在辐射单元中导电纱线织造密度对天线性能影响的研究中,当导电纱线的直径与导电纱线的间距比为1时,天线在共振频率1.49GHz时驻波比为1.4,增益2.9dB;当导电纱线的直径与间距比为1:4时,天线在共振频率1.31GHz时驻波比为3.9,增益下降至1.5dB。结果表明当导电纱线的直径与间距比小于1时,天线的驻波比和方向图性能会随着导电纱线织造密度的下降而降低。说明保证导电纱线较高的织造密度对三维机织复合材料天线的性能有重要的影响。(4)在研究树脂覆盖层对天线性能的影响中,通过仿真方法系统的探讨了树脂覆盖层的厚度,介电常数和介电损耗角正切对天线性能的影响,并运用改进的真空辅助树脂传递成型工艺实现了无树脂覆盖层的天线。结果显示,无树脂覆盖的天线具有更准确的共振频率性能,同时天线增益为0.5dB比有树脂覆盖层的天线的增益(-3.6dB)明显提高。由于大多数的纺织结构天线都是将导电纱线织入到结构件中,所以以上内容的研究不仅可以优化三维机织复合材料天线的性能,而且对其它类型纺织结构天线也有重要的借鉴作用。 最后,在三维机织复合材料天线电磁学性能研究基础上,对天线结构的力学性能进行系统的研究和分析。研究了双面覆铜丝板,单面覆铜丝板和聚四氟乙烯覆铜板的拉伸、压缩、弯曲和冲击性能,具体如下:(1)对拉伸测试结果的分析表明,单面覆铜丝板具有最好的拉伸性能,其中归一化强度为1614MPa,比双面覆铜丝板和四氟乙烯覆铜板分别高出25%和92%;归一化拉伸模量为112GPa,比双面覆铜丝板和聚四氟乙烯覆铜板分别高出60%和155%。三维机织复合材料覆铜丝板的优异的拉伸性能主要是由于三维机织复合材料中纱线完全伸直,充分发挥出增强作用,并且玻纤与乙烯基树脂的良好的界面粘附性所致。(2)对压缩测试结果的分析表明,单面和双面覆铜丝板的归 化压缩强度为663.9MPa和721.8MPa远高于聚四氟乙烯覆铜板266.4MPa。原因是厚度方向的捆绑纱使三维机织复合材料整体性好且受力分布均匀;而铺层结构的聚四氟乙烯覆铜板受压时容易产生层间开裂和滑移导致压缩强度较差。(3)对弯曲测试的结果分析表明,单面覆铜丝板具有最高的归一化弯曲强度为963.6MPa,比双面覆铜丝板和聚四氟乙烯覆铜板分别高出26%和31%;同时单面覆铜丝板和双面覆铜丝板归一化弯曲模量分别为60.3GPa和60.9GPa,高于聚四氟乙烯覆铜板25%左右。三维机织复合材料覆铜丝板的优异的弯曲性能也是由良好的整体性和界面性能导致。(4)对冲击测试结果的分析表明,聚四氟乙烯覆铜板、双面覆铜丝板和单面覆铜丝板的归一化抗冲击韧性分别为206.3KJ/m2,74.7 KJ/m2和31.1 KJ/m2。三维机织结构的覆铜丝板的冲击性能可以通过采用聚四氟乙烯等热塑性树脂进行增韧提高。综合以上力学性能研究及其破坏模式的分析表明,三维机织结构的覆铜丝板具有良好的力学性能和抗分层能力以及结构整体性。 以上研究工作表明,设计制作以三维机织复合材料为基础的共形承载侧馈微带天线完全可行。所设计的此种结构天线相比传统微带天线和其它共形承载天线具有更好的结构完整性和抗分层能力。在对辐射单元中导电纱线的织造方向、织造结构、织造密度和有无树脂覆盖等因素对天线性能影响的分析基础上,实现了天线性能优化,同时为此类结构的纺织天线的设计提供了理论基础。此外,对天线结构力学性能测试和破坏模式的分析,为复合材料结构共形承载天线的优化和研究提供了必要的数据支持。


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