基于正交機(jī)織復(fù)合材料的共形承載微帶天線陣列的研究.pdf

1、天線作為無(wú)線信號(hào)的接收和發(fā)射端在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛而重要的應(yīng)用。然而傳統(tǒng)天線存在外形突出,空氣阻力大,易于被發(fā)現(xiàn)等問(wèn)題。隨著二十世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來(lái)的“智能材料”的感念的推廣,如智能蒙皮一類的技術(shù)迅速發(fā)展,出現(xiàn)了將智能元件嵌入到結(jié)構(gòu)件里面,提高結(jié)構(gòu)件的效率的設(shè)計(jì)。同時(shí),出于高性能航空器對(duì)于空氣動(dòng)力,隱身性能和對(duì)天線結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等的高要求,采用微帶天線與復(fù)合材料層合板或三明治中空結(jié)構(gòu)相結(jié)合的辦法,將微帶天線嵌入到結(jié)構(gòu)中,與航天器共形,以克服

2、傳統(tǒng)天線在結(jié)構(gòu)上的缺陷的共形承載天線結(jié)構(gòu)被廣泛關(guān)注。但是,單元天線結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)距離通信時(shí)常常無(wú)法達(dá)到高增益的要求,為提高增益,必然提高天線的電學(xué)尺寸即提高單個(gè)天線物理尺寸或者多個(gè)輻射單元規(guī)則排列共同工作的陣列結(jié)構(gòu)。由于頻率,飛行器外形和制作工藝的限制,無(wú)限提高單元天線的尺寸不現(xiàn)實(shí)也不必要,相比之下,通過(guò)擴(kuò)展能實(shí)現(xiàn)掃描,單個(gè)單元破壞仍然能工作的陣列結(jié)構(gòu),具有更強(qiáng)的擴(kuò)展性和實(shí)用性。同時(shí)三維機(jī)織結(jié)構(gòu)能很好的克服航空器上應(yīng)用的傳統(tǒng)層合板與三明治結(jié)構(gòu)

3、復(fù)合材料受沖擊都易于分層破壞從而造成天線結(jié)構(gòu)的破壞失效的弱點(diǎn)。將二者結(jié)合起來(lái)的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)先進(jìn)飛行器,艦艇等的隱形與性能提高都有重要意義。
　　本文采用E型玻璃纖維作為增強(qiáng)纖維,乙烯基樹脂作為增強(qiáng)基制作介質(zhì)基板,設(shè)計(jì)并制作了兩種微帶天線陣列結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)。本課題使用天線模擬仿真軟件(Ansoft HFSS),推導(dǎo)建立了分析模型,分析了不同阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)在三維機(jī)織復(fù)合材料上的具體表現(xiàn)和可行性。對(duì)于1×2陣列,利用單元模擬獲得其

4、特征阻抗,并設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)與功率二分器,對(duì)于2×2陣列在已有單元特征阻抗的前提下進(jìn)行了三種具有代表性的阻抗網(wǎng)絡(luò)的對(duì)比,分別以分散阻抗,分散網(wǎng)絡(luò)面積以及盡可能降低阻抗網(wǎng)絡(luò)面積為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)與模擬。發(fā)現(xiàn)阻抗網(wǎng)絡(luò)的存在會(huì)一定程度影響天線輻射元的方向圖,但是單一降低阻抗網(wǎng)絡(luò)面積會(huì)引起額外的功率耗散和發(fā)熱,而且過(guò)窄的饋電線路在現(xiàn)有織造條件下不易實(shí)現(xiàn),精度很差有可能引起阻抗失配,分散阻抗效果最好VSWR(Voltage Standing Wave R

5、atio)可達(dá)1.1至1.4,模擬增益可達(dá)3到4dB左右,方向圖相對(duì)基本無(wú)畸變,但是幾乎所有陣列都存在諧振頻率偏移的問(wèn)題而不能于1.5Ghz處諧振,并且均是向左偏移,其中2×2陣列偏移最為嚴(yán)重,部分結(jié)果可偏移至1.2Ghz左右,可認(rèn)為是由于陣列對(duì)于設(shè)計(jì)誤差的放大作用造成的。織造過(guò)程中三維機(jī)織復(fù)合材料的部分表層和全部底層紗線被替換為銅絲股紗,根據(jù)陣列設(shè)計(jì)與復(fù)合材料密度要求,使用獨(dú)特方法織造成與介質(zhì)基板共形的輻射單元,饋線網(wǎng)絡(luò)和接地板,由于

6、輻射元,接地板和饋線網(wǎng)絡(luò)都是由高性能增強(qiáng)纖維組成,并由織機(jī)一次織造成型,厚度方向上由Z yarn固結(jié),故不會(huì)產(chǎn)生通常復(fù)合材料層合板的受力變形后分層失效的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)一共織造四個(gè)天線陣列試樣包括三個(gè)1×2陣列與一個(gè)2×2陣列并分別采用側(cè)饋與背饋饋電方式,所有試樣都經(jīng)過(guò)真空輔助樹脂浸潤(rùn)法固化成型。天線性能的測(cè)試結(jié)果表明所有陣列試樣的諧振頻率都接近預(yù)定的中心頻率1.5Ghz,其中兩個(gè)1×2陣列VSWR可達(dá)1.1左右,方向圖與模擬吻合完好,前瓣集