基于三维机织复合材料双频和圆极化共形承载微带天线的研究

发布时间：2020-11-16 04:18

　　 随着复合材料的快速发展以及飞行器轻量化小型化的要求,除了需要设计更多与飞行器共形的天线元件,以减少突出结构天线形式对空气动力学的影响外;同时还需要赋予天线结构具有承受力学载荷的能力,即天线结构成为飞行器承力结构部件的一部分,达到使天线结构既可以传输电磁信号又可以具有优良的承力性能,从而真正实现共形承载一体化天线结构。由于电磁环境的复杂性,在天线通讯过程中,通常出现信号干扰和单频信号传输不畅等问题,通过采用圆极化和双频天线形式,可以很好的解决上述问题,目前这两种天线类型已广泛应用于雷达通信和电子侦察等领域。在力学承载方面,由于三维正交机织复合材料具有在厚度方向上,多层经纬纱正交排列同时采用Z纱将多层固结在一起的结构,使其具有优异的抗冲击性和抗分层性,同时,三维正交结构的完整性好,天线与其共形利于保持天线结构不易被破坏,维持稳定的电磁性能。基于上述背景,本文提出三维正交机织复合材料圆极化/双频天线结构,通过仿真设计、固化成型等实现了此类复合材料共形天线形式,而后对天线电磁性能、整体结构力学性能进行了系统测试和分析;此外,由于此类天线是纺织结构天线,对纱线结构配置对天线性能的影响也做了必要的分析,上述工作为今后纺织复合材料天线的发展提供了一定的数据基础。具体内容如下:在第一部分工作中,主要从天线电磁理论和仿真模拟出发,设计出工作频率为1.9GHz的圆极化天线以及工作频率为1.9GHz和2.45GHz的双频天线。通过运用天线设计经典公式,结合圆极化天线和双频天线的理论,在圆极化天线矩形贴片处以切角形成扰动方式实现圆极化设计;双频天线矩形贴片中采用对角线馈电方式,使贴片上的垂直边同时辐射不同频率实现双频设计。最后利用电磁仿真软件模拟优化,得到工作频率、回波损耗、轴比、带宽等都符合要求的设计结果。在第二部分工作中,主要从实际工艺参数出发,织造以及制备三维正交机织复合材料天线。首先采用三维正交机织织造工艺,实现了包含天线辐射元、天线介质基板、接地板的三维织物天线预制件结构;而后通过采用真空辅助树脂转移成型(VARTM)工艺制备成复合材料天线,并进行阻抗匹配和馈电焊接工作。在第三部分工作中,针对两种复合材料天线形式即复合材料圆极化天线和复合材料双频天线,进行了电磁性能测试和结构-电磁响应的分析,同时通过比较实测和仿真结果差异,对天线结构进行改进,制备出符合设计要求的复合材料天线。最终得到的圆极化天线工作频率为1.93GHz,回波损耗S11为-15.83dB,带宽7.0%,E面增益值11.04dB,H面增益值4dB,部分角度范围实现圆极化效果;双频天线工作频率分别为1.855GHz和2.471GHz,回波损耗S11值分别为-18.67dB和-20.09dB,带宽分别达到6.9%和11.7%,1.855GHz和2.471GHz的E面增益分别为4.36dB和-7.47dB,H面增益分别为2.53dB和-8.01dB。在第四部分工作中,主要对三维正交机织复合材料天线的力学性能和冲击破坏进行测试分析。对三组天线(不覆铜、单面覆铜、双面覆铜)结构,从拉伸、弯曲和冲击三方面进行力学测试,分析了导电纤维在共形承载天线中对整体力学性能的影响,以及天线在不同程度破坏后的性能对比分析。结果表明,虽然导电纤维含量增加会降低天线整体拉伸性能和弯曲性能,但是天线在遭受局部破坏变形时,依旧可以正常工作。综上所述,本文主要从设计、织造制备和天线力电性能三方面,对三维正交机织复合材料双频和圆极化天线进行整体研究。本文的工作为三维正交机织在天线圆极化和双频共形承载天线方向的发展提供一定的研究基础。
【学位单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33;V243.4
【部分图文】：

东华大学硕士学位论文 第二章 三维正交机织复合材料的圆极化微带天线设计（3） 两个不同波的电场矢量其幅度必须相等。所以实现天线圆极化的关键，需要通过一定的馈电方式，激励出两个极化方向互垂直的电磁波，但是相位相差 90°，并且幅度相等。由于圆极化对于尺寸非常的敏感，因此严格意义上电场矢量完全是一个圆是达不到的，大多是近圆形的椭圆，如图 2-1（b）所示。圆极化轴比的定义为椭圆轨迹的长轴和短轴之间的比值，纯圆极化波的波形是一个圆，所以理想的圆极化下其轴比为 0dB，一般认为轴比小于 6dB 时可认为已经符合圆极化要求，目前更严格的要求需要轴比小于3dB 以下。

华大学硕士学位论文 第二章 三维正交机织复合材料的圆极化微带天线设计模。在双点正交馈电中，T 型接头是最简单的形式。馈电的两个支路之间在长上相差四分之一个波长，以产生 90°的相位差，而两路信号的幅度相等，以此天线辐射圆极化波。其结构如图 2-2（b）所示，激励起的两个模式分别为 TM01和 TM10模，两个支路的输入阻抗分别记为 Ra 和 Rb，并且有 Ra=Rb 。那么段微带线的特性阻抗满足下面的关系：(1) Z1= 0 0; (2) Z2= 0 1; (3)1=2Z0。

0。(a) (b)图 2-2 圆极化实现方式（a）一点馈电；（b）正交馈电辐射元馈电法实现圆极化微带天线的原理很简单[28]，它是利用多个线极元组成的一种天线阵，利用不同辐射单元辐射的线极化波，并通过调整终实现圆极化条件。以二元为例，如图 2-3 所示，两个贴片辐射元辐射幅度相等、但是辐射的电磁波极化成垂直关系，在根据两个辐射元的位成 90°的相位差，最终在边射方向上合成圆极化波。虽然这种方法实化带宽比单片单馈点实现的圆极化带宽要宽，但由于离开边射方向后不0°相位差，所以轴比恶化严重，波束宽度特别窄。
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本文编号：2885612