基于正交機織復合材料的共形承載微帶天線陣列的研究.pdf

1、天線作為無線信號的接收和發(fā)射端在各個領域都有廣泛而重要的應用。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)等問題。隨著二十世紀90年代迅速發(fā)展起來的“智能材料”的感念的推廣,如智能蒙皮一類的技術迅速發(fā)展,出現(xiàn)了將智能元件嵌入到結構件里面,提高結構件的效率的設計。同時,出于高性能航空器對于空氣動力,隱身性能和對天線結構強度等的高要求,采用微帶天線與復合材料層合板或三明治中空結構相結合的辦法,將微帶天線嵌入到結構中,與航天器共形,以克服

2、傳統(tǒng)天線在結構上的缺陷的共形承載天線結構被廣泛關注。但是,單元天線結構在遠距離通信時常常無法達到高增益的要求,為提高增益,必然提高天線的電學尺寸即提高單個天線物理尺寸或者多個輻射單元規(guī)則排列共同工作的陣列結構。由于頻率,飛行器外形和制作工藝的限制,無限提高單元天線的尺寸不現(xiàn)實也不必要,相比之下,通過擴展能實現(xiàn)掃描,單個單元破壞仍然能工作的陣列結構,具有更強的擴展性和實用性。同時三維機織結構能很好的克服航空器上應用的傳統(tǒng)層合板與三明治結構

3、復合材料受沖擊都易于分層破壞從而造成天線結構的破壞失效的弱點。將二者結合起來的天線結構設計對先進飛行器,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纖維,乙烯基樹脂作為增強基制作介質基板,設計并制作了兩種微帶天線陣列結構和相應的饋電網(wǎng)絡。本課題使用天線模擬仿真軟件(Ansoft HFSS),推導建立了分析模型,分析了不同阻抗匹配網(wǎng)絡在三維機織復合材料上的具體表現(xiàn)和可行性。對于1×2陣列,利用單元模擬獲得其

4、特征阻抗,并設計匹配網(wǎng)絡與功率二分器,對于2×2陣列在已有單元特征阻抗的前提下進行了三種具有代表性的阻抗網(wǎng)絡的對比,分別以分散阻抗,分散網(wǎng)絡面積以及盡可能降低阻抗網(wǎng)絡面積為原則進行設計與模擬。發(fā)現(xiàn)阻抗網(wǎng)絡的存在會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)絡面積會引起額外的功率耗散和發(fā)熱,而且過窄的饋電線路在現(xiàn)有織造條件下不易實現(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1.1至1.4,模擬增益可達3到4dB左右,方向圖相對基本無畸變,但是幾乎所有陣列都存在諧振頻率偏移的問題而不能于1.5Ghz處諧振,并且均是向左偏移,其中2×2陣列偏移最為嚴重,部分結果可偏移至1.2Ghz左右,可認為是由于陣列對于設計誤差的放大作用造成的?？椩爝^程中三維機織復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)陣列設計與復合材料密度要求,使用獨特方法織造成與介質基板共形的輻射單元,饋線網(wǎng)絡和接地板,由于

6、輻射元,接地板和饋線網(wǎng)絡都是由高性能增強纖維組成,并由織機一次織造成型,厚度方向上由Z yarn固結,故不會產(chǎn)生通常復合材料層合板的受力變形后分層失效的問題。實驗一共織造四個天線陣列試樣包括三個1×2陣列與一個2×2陣列并分別采用側饋與背饋饋電方式,所有試樣都經(jīng)過真空輔助樹脂浸潤法固化成型。天線性能的測試結果表明所有陣列試樣的諧振頻率都接近預定的中心頻率1.5Ghz,其中兩個1×2陣列VSWR可達1.1左右,方向圖與模擬吻合完好,前瓣集