基于三维正交机织聚四氟乙烯基复合材料的共形承载微带天线的制作和性能研究

论文摘要

理想的智能材料应该是结构、功能、控制和信息一体化的材料。而信息的传输至关重要,相当于人的眼睛和耳朵。因此,理想的智能材料首先要解决的是其信息发射和接收能力。而要做到这一点,必须首先将天线和智能材料有机结合在一起。微带天线应用很广泛。除了有优异的性能之外,微带天线有最好的共形性,因此具有比其他天线更好的隐身性和可靠性。纤维增强复合材料是多数智能材料和微带天线的基础材料。但是,复合材料多为铺层结构,其最大的缺点是容易分层。一旦复合材料和天线元件之间分离,天线系统就可能失效。因此要提高其可靠性,就需要改进作为承受应力和天线基础的复合材料结构。这种结构对我国的航天飞行器,船舰的隐身以及公安国安部门的侦察等都有非常重要的意义。本文采用E玻璃纤维作为增强纤维,聚四氟乙烯作为增强基制作为介质基板,设计并制作了侧馈微带天线结构。本课题使用天线模拟仿真软件（Ansoft HFSS）,推导建立了分析模型,将设计的传统铜箔贴片式微带天线转化为三维织物天线结构,并用聚四氟乙烯分散液将三维织物结构的微带天线制作成复合材料。我们发现使用乙烯基或者环氧树脂为增强基的微带天线虽然可以得到较高的力学性能,但是由于树脂材料本身的介电损耗很大,导致微带天线的增益受到严重影响。而使用介电损耗因子为0.0004的聚四氟乙烯为基质,将会大大提高三维正交织物结构的微带天线的增益。同时由于三维织物本身较好的机械和抗层间剪切性能,最终制品也能提供所需要的机械强力。织造过程中三维机织复合材料的表层和底层纱线被替换为铜丝股纱,根据复合材料预制件的纱线密度,使用特殊方法织造成与介质基板共形的天线贴片、微带线馈线和接地板,其辐射元和接地板都是由高性能增强纤维组成,在织造过程中被捆扎纱固结在结构中,故不会产生通常微带天线的受力变形后分层失效的问题。本实验使用了聚四氟乙烯为增强基质,有三个样品通过一次浸润的方法,有一个样品用过反复浸润的方法,并最终都经过硫化机和高温烘箱进行烧结成型。采用一次浸润法的复合材料聚四氟乙烯树脂含量较低,采用多次浸润法的复合材料聚四氟乙烯树脂含量较高。天线性能的测试结果表明,采用聚四氟乙烯为基质制作的微带天线其方向图与传统铜箔天线有很好的一致性,中心频率稍偏于设计的中心频率。其中,聚四氟乙烯树脂含量较低的微带天线由于材料间空隙增多,导致介电损耗增大,其VSWR大于2,回波损耗较大。并且增益为-0.3,-0.4和-0.5。而聚四氟乙烯树脂含量较高的微带天线由于纤维和树脂的结合较好,较为真实的体现了所模拟的材料性能,其VSWR为1.3-1.7,回波损耗较小,符合传统微带天线的要求。并且其增益均大于0,分别为0.6与1.2.。并进行了天线冲击试验,观察经过10焦耳能量的重锤冲击后的天线预制件的天线性能是否受到破坏。结果表明,经过外力冲击后,天线的增益和方向图未发生明显变化,证明有较好的抗冲击性能。本实验测试了所设计的基于聚四氟乙烯基三维机织复合材料的共形承载微带天线的力学性能,包括弯曲、压缩和冲击三个项目。弯曲和压缩实验结果表明基于聚四氟乙烯基的三维机织复合材料的共形承载微带天线其强力较低,弯曲强度27.75 MPa,弯曲模量4615MPa；压缩强度13.22 MPa,压缩模量3126 MPa。而冲击测试数据未体现出材料断裂时表现的韧性,冲击强度只有10.5071。聚四氟乙烯复合材料的破坏模式与普通热固性复合材料不同,即使在大变形环境下也不会断裂。并且当外力释放以后,材料会回复到其初始状态,有很好的变形回复性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• BIOGRAPHICALSKETCH
• ACKNOWLEDGMENTS
• CHAPTER ONE:INTRODUCTION AND OBJECTIVES
• 1.1 Introduction
• 1.2 Objectives
• CHAPTER TWO:LITERATURE REVIEW
• 2.1 Smart structures and smart materials
• 2.1.1 Three-demensional woven composite
• 2.1.2 The advantage of three demensional composite
• 2.1.3 Structure and fabric of three demensional composite
• 2.2 Antennas in smart structures
• 2.2.1 What is an antenna and the shortcomings of traditional antennas
• 2.2.2 Microstrip patch antennas
• 2.2.3 Conformal Load-bearing Antenna Structures
• 2.3 PTFE matrix
• 2.3.1 Introduction to PTFE
• 2.3.2 Mechanical and electrical properties of PTFE
• CHAPTER THREE:3DIMA DESIGN PROCEDURE
• 3.1 3D Integrated Microstrip Antennas design
• 3.1.1 Fundamentals of rectangular microstrip antenna design
• 3.2 Materials and Structure design
• CHAPTER FOUR:ANTENNA SIMULATION
• 4.1 Introduction to antenna simulation
• 4.2 Antenna design
• 4.3 Simulation of PTFE matrix based antenna
• CHAPTER FIVE:EXPERIMENTAL
• 5.1 Fabrication
• 5.2 Consolidation process
• 5.3 Antenna Performance Testing
• 5.3.1 VSWR, gain and radiation pattern test
• 5.3.2 Antenna impact test
• 5.4 Mechanical properties testing
• CHAPTER SIX:RESULTS AND DISCUSION
• 6.1 Antenna performances
• 6.2 Mechanical performances
• 6.3 Antenna performance after impact test
• 6.4 FEM analysis
• CHAPTER SEVEN:CONCLUSIONS
• REFERENCES
• 所发表论文