三維機織復合材料為基礎的共形承載側饋微帶天線的仿真設計和性能研究.pdf

1、智能系統(tǒng)的主要部件包括傳感器，激勵器，信息處理器和信號傳輸裝置。天線作為無線信號的主要傳輸裝置，在智能系統(tǒng)中起著至關重要的作用。因此，理想的智能結構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)，信息產業(yè)和社會需求的不斷發(fā)展，人們對天線裝置的電磁學性能和機械性能的要求也越來越高。微帶天線由于低剖面易共形的特點，具有更好的隱身性和可靠性，被廣泛應用于各個領域。
　　 多數的智能天線系統(tǒng)采用鋪層結構的纖維增強復合材料或者三明治結構

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

3、點針對三維機織復合材料側饋微帶天線的仿真設計，天線電磁學性能的影響因素和天線結構力學性能進行系統(tǒng)性的理論和實驗研究。
　　 本論文研究的目的是：
　　 1.建立三維機織復合材料側饋微帶天線仿真模型并系統(tǒng)研究影響天線性能的結構參數和其它因素。
　　 2.制作三維機織復合材料側饋微帶天線，并研究其電磁學性能和抗沖擊性能。
　　 3.在天線性能影響因素的仿真分析的基礎上，進一步優(yōu)化三維機織復合材料側饋微帶天線的

4、設計，以提高天線的增益。
　　 4.系統(tǒng)的研究分析三維機織復合材料側饋微帶天線結構的力學性能和破壞模式。
　　 以下是本研究的具體內容和結果：
　　 首先，采用微帶天線設計理論和電磁學仿真軟件對三維機織復合材料側饋微帶天線進行結構設計和性能仿真；依據仿真設計的相關結論，制作三維機織復合材料天線并進行天線性能測試。在仿真過程中，建立了二維片狀網格模型，三維長方體網格模型和三維圓柱體網格模型。結果顯示，二維片狀網格模

5、型具有建模簡單、計算量小、容易求解等特點；三維長方體網格模型可以模擬銅絲在厚度方向上的影響，也可以模擬銅絲網格的織物結構；三維圓柱體網格模型最接近銅絲的實際形態(tài)，準確性更高?；谝陨系姆抡嫜芯抗ぷ?，實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，并對天線進行了駐波比和方向圖特性測試。測試結果表明，玻纖乙烯基天線在共振頻率1.31GHz時駐波比為1.18，芳綸乙烯基天線在共振頻率1.32GHz時駐波比為1.05，兩組天線的駐波比

6、均能滿足天線正常工作要求。方向圖測試結果表明兩組天線的方向圖形狀與傳統(tǒng)天線類似，具有很好的定向性。通過以上測試，初步證實了此類天線較好的電磁性能。但兩組三維機織復合材料天線增益的測試結果是-4.7dB和-5.9dB，需要進一步提高。通過對天線的沖擊測試表明，三維機織復合材料天線在15焦耳的能量的沖擊下駐波比仍為1.25，證實了三維機織復合材料微帶天線比其它共形承載天線更加優(yōu)異的結構穩(wěn)定性和抗沖擊性能。
　　 其次，為了優(yōu)化三維機

7、織復合材料天線的性能，我們通過仿真方法從理論上進一步分析了影響天線性能的主要因素，包括：輻射單元中導電紗線的織造方向、織造結構、織造密度和有無樹脂覆蓋等，并進行了實驗驗證。具體如下：(1)在導電紗線的織造方向對天線性能的影響研究中，當導電紗線沿饋電方向織造時，天線在共振頻率1.39GHz時駐波比為1.4，增益為-3.7dB；當導電紗線沿垂直饋電方向織造時，天線在共振頻率1.35 GHz時駐波比為1.2，增益為-5.3dB。結果表明，輻射

8、單元中導電紗線沿饋電方向織造時，天線具有更精確的共振頻率和更高的增益性能。(2)在導電紗線的織造結構對天線性能影響的研究中，探討了輻射單元中導電紗線為正交結構和平紋結構的天線。結果顯示，正交結構天線的駐波比為1.05，具有很好的方向圖特性；而平紋結構的駐波比為1.87，并且方向圖中具有明顯的旁瓣，說明平紋結構中導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)在輻射單元中導電紗線織造密度對天線性能影響的研究中

9、，當導電紗線的直徑與導電紗線的間距比為1時，天線在共振頻率1.49GHz時駐波比為1.4，增益2.9dB；當導電紗線的直徑與間距比為1:4時，天線在共振頻率1.31GHz時駐波比為3.9，增益下降至1.5dB。結果表明當導電紗線的直徑與間距比小于1時，天線的駐波比和方向圖性能會隨著導電紗線織造密度的下降而降低。說明保證導電紗線較高的織造密度對三維機織復合材料天線的性能有重要的影響。(4)在研究樹脂覆蓋層對天線性能的影響中，通過仿真方法系

10、統(tǒng)的探討了樹脂覆蓋層的厚度，介電常數和介電損耗角正切對天線性能的影響，并運用改進的真空輔助樹脂傳遞成型工藝實現了無樹脂覆蓋層的天線。結果顯示，無樹脂覆蓋的天線具有更準確的共振頻率性能，同時天線增益為0.5dB比有樹脂覆蓋層的天線的增益(-3.6dB)明顯提高。由于大多數的紡織結構天線都是將導電紗線織入到結構件中，所以以上內容的研究不僅可以優(yōu)化三維機織復合材料天線的性能，而且對其它類型紡織結構天線也有重要的借鑒作用。
　　 最后，

11、在三維機織復合材料天線電磁學性能研究基礎上，對天線結構的力學性能進行系統(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)對拉伸測試結果的分析表明，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％。三維機織復合材料覆銅絲板的

12、優(yōu)異的拉伸性能主要是由于三維機織復合材料中紗線完全伸直，充分發(fā)揮出增強作用，并且玻纖與乙烯基樹脂的良好的界面粘附性所致。(2)對壓縮測試結果的分析表明，單面和雙面覆銅絲板的歸一化壓縮強度為663.9MPa和721.8MPa遠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織復合材料整體性好且受力分布均勻；而鋪層結構的聚四氟乙烯覆銅板受壓時容易產生層間開裂和滑移導致壓縮強度較差。(3)對彎曲測試的結果分析表明，單面覆銅

13、絲板具有最高的歸一化彎曲強度為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。三維機織復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致。(4)對沖擊測試結果的分析表明，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。三維機織結構的覆銅絲板的沖擊性能可以通過采用聚四氟乙烯等熱塑性樹脂進行增韌提高。綜合以上力學性能研究及其破壞模式的分析表明，三維機織結構的覆銅絲板具有良好的力學性能和抗分層能力以及結構整體性。
　　 以上研究工作表明，設計制作以三維機織復合材料為基礎的共形承載側饋微帶天線完全可行。所設計的此種結構天線相比傳統(tǒng)微帶天線和其它共形承載天線具有更好的結構完整性和抗分層能力。在對輻射單元中導電紗線的織造方向、織造結構、