CN101718021A - 基于三维正交机织物的共形承载微带阵列天线的织造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三维正交机织物的共形承载微带阵列天线的织造方法，包括将纺织纤维和环氧树脂在三维正交织机上织造并固化成型制作成复合材料；测得复合材料的介电常数和损耗角正切；基于得到的复合材料介电性能计算微带天线辐射元的基本尺寸，据此设计天线阵列单元尺寸，计算设计阻抗匹配网络结构与尺寸，按照以上尺寸，在三维织机上织造微带天线阵列的基本结构。本发明不会在外力作用下或加工过程中因树脂收缩等造成的内应力的作用下和基质部分分离；受到外层复合材料的保护大大提高其抗损伤能力；提高天线增益。

Description

基于三维正交机织物的共形承载微带阵列天线的织造方法

技术领域

本发明属无线电通讯技术领域，特别是涉及一种以三维正交机织物为基本结构设计出既可以承载外力又可以接收发射信号的微带天线阵列结构系统。

背景技术

无论是收音机，电视机，雷达以及其他无线电设备中发射和接受无线电波的装置，凡是利用无线电波传递信息的系统，都少不了天线，所以常说天线是无线通讯的眼睛和耳朵。在实际中，由于通讯距离，抗干扰等要求往往要求天线应具有高增益，方向性强及定向辐射等特点，而单个天线辐射元的增益及方向性均很难达到要求，因此常常利用天线阵获得上述特性。传统天线结构常常是在其承载结构上开孔，且天线突出于承载表面，虽然天线结构有效，但是一方面突出的天线会增加空气阻力，另一方面天线的开孔会破坏承载结构的完整性，使其结构强度不可避免的下降，而平面阵列结构的天线辐射元分散更易贴合飞行器表面，单个辐射元破坏天线依然可以工作因此现代飞行器，如军用飞机，导弹等均采用平伏于表面的天线阵列结构。然而基于传统技术的这些天线结构依然是独立于承载结构之外单独部分，不是能承受应力的机身的一部分，天线的尺寸会由于通讯波长的增加，天线增益要求的提高或者对波束集中性的要求的提高而增加，因此为了容纳尺寸增加的天线，机身结构完整性必然受到破坏。

作为现代航空航天领域中应用最为广泛和最重要的材料，纤维增强复合材料强度比刚度高，抗疲劳性能好。而大多数纤维增强复合材料为工艺简单，适用性强的铺层结构，但是这种结构容易分层破坏导致抗弯强度下降使材料失效，天线结构如果基于这种复合材料则可能会受冲击后与复合材料分层从而失去功用。美国空军实验室(AFRL)在九十年代进行了一系列的研究工作，开发出了第三代航用天线系统，叫做共形承载天线结构(ConformalLoad-bearing Antenna Structure，CLAS)。其基本思路是将天线结合到航空器表皮复合材料结构中去，以达到只要材料不破坏，天线也不破坏的目的。这个结构虽然比以前的结构前进了一大步，但是经试验后发现，它受力后的破坏形式仍然是分层。国外的研究人员You等人在CLAS的基础上做成多层的微带天线结构，即采用层和的方法将微带天线置入到三明治结构中，整个系统在承受达到一定的机械作用特别是冲击载荷时，结构容易出现分层、塌陷等严重的破坏，整个天线系统失效。

因此有必要在保证获得高增益，方向性等特性的要求下实现天线结构与承载结构的结合，同时保证飞行器结构的完整性与天线性能和可靠性，这样用何种复合材料为基础来制作此类天线结构也成为一个很重要的问题。三维纺织增强复合材料能够克服铺层复合材料容易分层的特点，因此在航空航天领域里得到了广泛的应用。如果能够将天线制作成为三维纺织复合材料的一部分，则天线的可靠性与生存能力可以大幅度的提高。这对航空航天设备尤其是长期使用的飞行器而言是至关重要的。特别是在目前我军装备需要现代化，大大提高可靠性的形势下，研究阵列天线-三维增强复合材料一体化的信号传输系统，具有极其重大的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用纺织结构特有性能和优点结合天线阵列的设计原则，制作出结构一体化的共形承载天线阵列结构，解决目前单个天线结构存在的增益性能偏低问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于三维正交机织物的共形承载微带阵列天线的织造方法，包括下列步骤：

(1)将纺织纤维和环氧树脂(所述的纺织纤维的体积含量约占纺织纤维和环氧树脂总体积的40％～50％)在三维正交织机上织造并固化成型制作成复合材料；测得复合材料的介电常数和损耗角正切；

(2)根据复合材料介电常数计算微带天线辐射元的基本尺寸，据此得出天线阵列单元尺寸，阻抗匹配网络的结构与尺寸，按照以上尺寸，在三维织机上织造微带天线阵列的基本结构，计算公式如下所示：其中f为中心频率，ε_r为复合材料介电常数，h为复合材料厚度，W和L分别为辐射元宽和长，WG和LG为成品共形承载微带阵列天线的宽和长，辐射元间距取0.6倍λ₀；

${\mathrm{\λ}}_g=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}=\frac{c}{f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}$

$W=\frac{c}{2f_r}{\left(\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r+1}{2}\right)}^{-1/2}<{\mathrm{\&lambda;}}_0/2$

$L=\frac{c}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_e}}-2\mathrm{\&Delta;l}$

${\mathrm{\&epsiv;}}_e=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{W})}^{-1/2}$

$\frac{\mathrm{\&Delta;l}}{h}=0.412\frac{({\mathrm{\&epsiv;}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\&epsiv;}}_e-0.258)(W/h+0.8)}$

LG＝L+0.2λg

WG＝W+0.2λg

(3)根据计算结果选用导电纱线，使其直径满足小于匹配网络传输线最小宽度，选用三维织物经纱至少为四层，厚度接近复合材料的厚度，三维织物经纬纱，Z向纱线为高强高模纤维或多应用玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维，最下层经纬纱采用导电纱线；

对于多元线阵，其织造包括下列步骤：

(a)织造一个天线单元由两个纬管共同完成，织造时由机后选取一层经纱，提取长度与天线单元宽度相同的纱线并利用分层装置固定为单独一层，其高度高于原纱线，低于Z向纱线；

(b)将该束纱线替接上导电纤维，同时该层纬纱撤除不用，换用一对绕有导电纱线的纬管织造，每引一次导电纬纱，靠近机后的一半天线单元先成型，到达馈电网络时，馈电线将被埋入浮线下，与最后下机后剪取浮线暴露；

(c)使用的第一个纬管改为延经纱方向，埋入两经纱浮线中，高于导电纬纱层，同时穿过钢筘到机前加装应力装置使纱线拉直，在其左右经纱上替用导电纱线控制馈电传输线宽度；

(d)第二个纬管开始第一个天线阵单元第二部分织造，织造到馈电网络功率二分器时，第一个纬管撤回与第二个纬管同时织造，后续单元织造相同；

对于多元方阵，其织造包括下列步骤：

(a)织造一个天线单元由四个纬管共同完成，一根导电纱线两头分别缠绕一个纬管，天线单元织造方法与上述多元线阵相同；

(b)两列天线单元一起织造，织造到馈电网络功率二分器时，第一个纬管不撤回而是参与第二列后续单元织造相同，第二列天线单元的第一个纬管则参与第一列后续单元织造；

(4)用上述环氧树脂将焊有同轴连接器的天线预制件浸胶做成共形承载微带阵列天线

所述的馈电网络由同轴馈电或者边馈的方法对织造的天线阵列进行馈电，对于多元线阵，采用将同轴连接器探针与最终50ohm阻抗传输线焊接，同轴连接器底座与最下层导电纱线焊接；对于多元方阵，可用同轴连接器探针穿过织物与馈电网络中心处焊接，同轴连接器底座与最下层导电纱线焊接。

所述的复合材料为介电常数介于2-6，介电损耗角正切小于0.05树脂浸润。

本发明使用三维正交共形承载微带天线结构，由于构成天线辐射部分导电纱线由Z向捆绑纱线和整个三维结构交织，成为一个一体一次成型不可分离的整体，不易分层破坏。采用交叉多次引纬织造的方法实现了多种天线阵列结构，在不改变复合材料基本原料，力学性能的基础上提高天线的增益，波束集中性和天线的生存能力。

有益效果

第一，天线的辐射元和接地板不会在外力作用下或加工过程中因树脂收缩等造成的内应力的作用下和基质部分分离；

第二，辐射元和接地板可以按照需要设计在三维结构的里层，从而受到外层复合材料的保护大大提高其抗损伤能力；

第三，采用三维正交结构的形状适应性很强，可以适应曲率较大的表面；

第四，由于采用自动化三维机织工艺和预成形树脂转移成形，产品成本较低，质量稳定，有利于推广使用；

第五，在不进行浸胶处理的情况下，这种天线结构在还可用于柔性结构上来收发和处理信号，如智能纺织品等；

第六，基本辐射单元一定，在不改变复合材料的基础上，提高天线增益；

第七，相对单元共形承载微带天线，多元阵列在数个单元破坏后依然可以工作，提高了整个天线的生存能力；

第八，由于阵列结构由多个辐射元组成，相对单元天线，更容易实现曲面贴伏共形。

附图说明

图1为本发明需浸胶的二元天线阵列尺寸及馈电点位置示意图。

图2为本发明需浸胶的2×2平面天线阵列尺寸及馈电点位置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1设计浸胶的二元天线阵列-三维复合材料一体化结构

(1)选择玻璃纤维作为复合材料的基本增强体，树脂选择上海富晨化工854型双酚A环氧乙烯基树脂，利用传输-反射法测试并计算所作复合材料的介电常数为4.5；

(2)设计天线阵列尺寸(介电常数为4.5，基质厚度为3mm，谐振频率为1.5GHz)计算得到天线尺寸参数，如图1所示。

(3)织造三维微带天线的预制件

设计三维织物经纱为四层，最下层经纬纱利用铜绞线代替，其余经纬纱和Z方向的纱线均为玻璃纤维。在织造沿经纱方向长度达到50mm时，将三维织机机后第一层经纱从中间沿纬纱方向提升42mm宽度，此两层纱线中未被提起的纱线利用分层装置合并在一起，使得上层Z方向纱线与中间的42mm的纱线形成梭口，此时将原第一层纬纱抽出，使用缠绕了铜绞线的纬管来引入铜绞线作为纬纱，每引一纬铜绞线，打纬一次，可以织造成辐射元，织完辐射元前22.45mm，第一个纬管改为延经纱方向，埋入两经纱浮线中，高于导电纬纱层，同时穿过钢筘到机前加装应力装置使纱线拉直，在其左右经纱上替用导电纱线控制馈电传输线宽度。此时第二个纬管开始第一个天线阵单元第二部分织造，织造到馈电网络功率二分器时，第一个纬管撤回与第二个纬管同时织造，后续单元织造相同，织造工作完成。将同轴连接器(SMA-KE)的探针与辐射元的馈电点处焊接，同轴连接器的底座与天线预制件的下层铜线相焊接。

(4)浸胶做成复合材料

用854型双酚A环氧乙烯基树脂利用真空辅助树脂转移法(VARTM)将焊有同轴连接器的天线预制件做成复合材料。

实施例二：设计浸胶的2×2平面天线阵列-三维复合材料一体化结构

(1)设计天线阵列尺寸(介电常数为4.5，基质厚度为3mm，谐振频率为1.5GHz)如图2所示。

(2)织造三维微带天线的预制件

设计三维织物经纱为六层，最下层经纬纱利用铜绞线代替，其余经纬纱和Z方向的纱线均为芳纶纤维。在织造沿经纱方向长度达到50mm时，将三维织机机后第一层经纱从中间沿纬纱方向提升42mm宽度，此两层纱线中未被提起的纱线利用分层装置合并在一起，使得上层Z方向纱线与中间的42mm的纱线形成梭口，此时将原第一层纬纱抽出，使用一根铜绞线两头分别缠绕一个纬管来引入铜绞线作为纬纱，每引一纬铜绞线，打纬一次，可以织造成辐射元，织完辐射元前22.45mm，第一个纬管改为延经纱方向，埋入两经纱浮线中，高于导电纬纱层，同时穿过钢筘到机前加装应力装置使纱线拉直，在其左右经纱上替用导电纱线控制馈电传输线宽度。此时第二个纬管开始第一个天线阵单元第二部分织造，织造到馈电网络功率二分器时，第一个纬管参与第二列后续单元织造相同，第二列天线单元的第一个纬管则参与第一列后续单元织造，交叉织造辐射单元，织造工作完成。将同轴连接器(JSMA-KFD40)的探针与辐射元的馈电点处焊接，同轴连接器的底座与天线预制件的下层铜线相焊接。

(3)浸胶做成复合材料

用854型双酚A环氧乙烯基树脂利用真空辅助树脂转移法(VARTM)将焊有同轴连接器的天线预制件做成复合材料。

Claims (4)

1.一种基于三维正交机织物的共形承载微带阵列天线的织造方法，包括下列步骤：

(1)将纺织纤维和环氧树脂在三维正交织机上织造并固化成型制作成复合材料；测得复合材料的介电常数和损耗角正切；

(2)根据复合材料介电常数计算微带天线辐射元的基本尺寸，据此得出天线阵列单元尺寸，阻抗匹配网络的结构与尺寸，按照以上尺寸，在三维织机上织造微带天线阵列的基本结构；

(3)根据计算结果选用导电纱线，使其直径满足小于匹配网络传输线最小宽度，选用三维织物经纱至少为四层，厚度接近复合材料的厚度，三维织物经纬纱，Z向纱线为高强高模纤维或多应用玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维，最下层经纬纱采用导电纱线；

对于多元线阵，其织造包括下列步骤：

(a)织造一个天线单元由两个纬管共同完成，织造时由机后选取一层经纱，提取长度与天线单元宽度相同的纱线并利用分层装置固定为单独一层，其高度高于原纱线，低于Z向纱线；

(b)将该束纱线替接上导电纤维，同时该层纬纱撤除不用，换用一对绕有导电纱线的纬管织造，每引一次导电纬纱，靠近机后的一半天线单元先成型，到达馈电网络时，馈电线将被埋入浮线下，与最后下机后剪取浮线暴露；

(c)使用的第一个纬管改为延经纱方向，埋入两经纱浮线中，高于导电纬纱层，同时穿过钢筘到机前加装应力装置使纱线拉直，在其左右经纱上替用导电纱线控制馈电传输线宽度；

(d)第二个纬管开始第一个天线阵单元第二部分织造，织造到馈电网络功率二分器时，第一个纬管撤回与第二个纬管同时织造，后续单元织造相同；

对于多元方阵，其织造包括下列步骤：

(a)织造一个天线单元由四个纬管共同完成，一根导电纱线两头分别缠绕一个纬管，天线单元织造方法与上述多元线阵相同；

(b)两列天线单元一起织造，织造到馈电网络功率二分器时，第一个纬管不撤回而是参与第二列后续单元织造相同，第二列天线单元的第一个纬管则参与第一列后续单元织造；

(4)用上述环氧树脂将焊有同轴连接器的天线预制件浸胶做成共形承载微带阵列天线。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维正交机织物的共形承载微带阵列天线的织造方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的纺织纤维的体积含量约占纺织纤维和环氧树脂总体积的40％～50％。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维正交机织物的共形承载微带阵列天线的织造方法，其特征在于：所述的馈电网络由同轴馈电或者边馈的方法对织造的天线阵列进行馈电，对于多元线阵，采用将同轴连接器探针与最终50ohm阻抗传输线焊接，同轴连接器底座与最下层导电纱线焊接；对于多元方阵，可用同轴连接器探针穿过织物与馈电网络中心处焊接，同轴连接器底座与最下层导电纱线焊接。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维正交机织物的共形承载微带阵列天线的织造方法，其特征在于：所述的复合材料为介电常数介于2-6，介电损耗角正切小于0.05树脂浸润。

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