CN105322276A - 一种机织间隔织物结构天线的织造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机织间隔织物结构微带天线的织造方法，包括选择一种导电纱，与低介电损耗性能的纤维一起织造间隔织物微带天线的辐射元及接地板，同时该辐射元与接地板又分别作为间隔织物的顶层与底层；将焊有同轴馈电器的微带天线预制件与适合的树脂材料相复合，从而得到间隔复合材料微带天线结构。由于机织间隔织物具有中空的结构特性，因而该微带天线质量轻，耐冲击，不易分层，可大幅度提高天线的可靠性与使用寿命，在航空航天、交通、信息等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种机织间隔织物结构天线的织造方法

技术领域

本发明涉及一种既可以承载外力又可以接收发射信号的微带天线，尤其是基于机织间隔织物而设计出的微带天线系统。

背景技术

天线对于通信系统而言是一个必不可少的组成单元，在民事与军事领域被广泛应用。作为必不可少的通讯设备，飞行器上安装有大量的天线。早期的天线为突出式结构，既易被破坏，又易对飞行器空气动力学性能造成影响。因此现代航空航天领域都不采用传统的突出式天线，而采用平伏于机身表面的平面结构的天线。然而这种天线仍然不是机身的一部分，不能起到承载应力的作用，同时在低频波段通讯中，天线的尺寸会随着波长的增加而增加，其结构的可靠性随之降低，为了容纳天线尺寸的增加，机身的结构完整性必然要遭到破坏。

纤维复合增强材料作为现代航天航空领域中应用最广泛的材料，具有比强度高，抗疲劳性好的特点。但大多数纤维增强复合材料采用铺层的结构，其最大的缺点是易于分层，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。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，以达到只要材料不被破坏，天线也不会被破坏的目的。这个结构虽然比以前的结构前进了一大步，但是天线系统在承受冲击载荷时，容易出现分层、塌陷等严重的破坏，导致天线系统失效。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种基于机织间隔织物的共型承载微带天线的织造方法，是微带天线与间隔复合材料结合成一个整体，解决层合式微带天线的所产生的分层破坏现象。

本发明解决该技术问题的方案是：一种机织间隔织物结构微带天线的织造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：选择一种低介电损耗性能纤维，在织机上将其织成机织间隔织物；

步骤2)：选择一种树脂将机织间隔织物制成复合材料，测试并计算其介电常数和介电损耗；

计算公式如式1-1至1-7所示：其中fr为中心频率，εr为复合材料的介电常数，h为复合材料厚度，c为真空中的光速，W和L分别为辐射元宽和长，λ₀为自由空间波长，λ为介质内波长，WG和LG为成品间隔织物复合材料结构微带天线的宽和长；

$W=\frac{c}{2f_r}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}}$ 式1-1；

$L=\[\frac{c}{2fr\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}\]-2\mathrm{\Δ}L$ 式1-2；

${\mathrm{\ϵ}}_e=\[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\]+\[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}\]{\[1+\frac{12h}{W}\]}^{-\frac{1}{2}}$ 式1-3；

$\frac{\mathrm{\Δ}L}{h}=0.412\[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_e+0.3}{{\mathrm{\ϵ}}_e-0.258}\]\[\frac{\frac{W}{h}+0.264}{\frac{W}{h}+0.8}\]$ 式1-4；

${\mathrm{\λ}}_g=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}=\frac{c}{f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}$ 式1-5；

LG＝L+0.2λ_g式1-6；

WG＝L+0.2λ_g式1-7；

步骤3)：根据所得到的介电常数计算微带天线辐射元的基本尺寸，选择一种导电纱，与低介电损耗性能的纤维一起织造间隔织物微带天线的辐射元及接地板，同时该辐射元与接地板又分别作为间隔织物的顶层与底层。

步骤4)：采用同轴馈电的方法对所织造的微带天线预制件进行馈电，计算馈电点在辐射元上的位置，将同轴连接器的探针固接在辐射元的馈电点上，同时，将同轴连接器的底座固接在微带天线预制件的下层导电线上；

步骤5)：采用手糊法，使用步骤2)所述的树脂原料将焊有同轴馈电器的微带天线预制件制成所需的复合材料。

优选地，所述低介电损耗性能纤维的介电损耗角正切的值小于0.01。

更优选地，所述低介电损耗性能纤维应为玻璃纤维或芳纶纤维。

优选地，所述树脂为介电常数在2～6之间，介电损耗小于0.05的任意一种树脂。

更优选地，所述树脂为环氧树脂，聚四氟乙烯树脂和不饱和乙烯基树脂中的任意一种。

优选地，所述机织间隔织物的间隔结构具体为：上下两层为面纱，中间一层为间隔纱。

优选地，所述导电纱为金属纤维，导电涂层纤维和碳纤维中的任意一种或多种的混纺纤维。

更优选地，所述金属纤维为铜线；所述导电涂层纤维为镀银纤维。

优选地，所述天线为与树脂相复合的硬质机织间隔织物结构的微带天线，或者不与树脂复合的柔性机织间隔织物结构的天线。

由于采用了以上的技术，本发明与现有技术相比，具有以下优点与积极效果：

1、本发明微带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；

2、本发明微带天线的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；

3、机织间隔织物结构适应性强，能适应多种曲率的表面；

4、机织间隔织物结构具有质量轻，比强度高的优点，可以提高微带天线的力学性能；

5、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；

6、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；

7、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；

8、与传统织物相比，机织间隔织物的介电常数更小，介电损耗更小，制成的微带天线性能更好。

本发明制备的机织间隔织物结构微带天线，较传统的微带天线具有更好的抗分层能力，而且质量更轻，介电损耗更小，增益性能更好。本发明对航空航天设备的通讯系统结构的稳定与可靠性至关重要。

附图说明

图1为机织间隔织物的单辐射元微带天线的侧视图；

图2为机织间隔织物的单辐射元微带天线另一个角度的侧视图；

图3为机织间隔织物的单辐射元微带天线俯视图；

图4为间隔复合材料微带天线的尺寸和馈电点位置示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1：E玻纤间隔复合材料微带天线

(1)选用浙江巨石集团提供的E玻璃纤维作为纤维复合增强体，玻璃纤维的经纱3细度1102tex，纬纱2细度600tex，间隔纱4细度370tex。本实例中所用的导电纱1为无锡利兹精密电工线材有限公司提供的铜绞线，其中经纱3直径0.3mm，纬纱2直径为0.5mm。选用常熟佳化有限责任公司提供的JL-235型树脂，JH-242型固化剂，树脂和固化剂在成型时按照3∶1比例均匀混合，固化温度为50℃-70℃。

(2)本实施例所设计的天线工作频率为1.5GHz，所制备的间隔玻纤复合材料厚度为5mm，其介电常数εr＝2.5，根据经验公式1-1至1-8可计算得到单辐射元5微带天线尺寸参数，如图4所示。其中W和L分别为辐射元5宽和长，WG和LG为成品微带天线的宽和长FL为微带线7的长度，FD为微带线7的宽度。

(3)织造单辐射元5微带天线预制件。设计基本结构预制件包括三层，最上层为导电纱1织造的辐射元5结构层；其下层为经纬纱2织物层，经纬纱2层起到支撑辐射元5的作用；最下层为导电纱1织造的接电板6层；经纬纱2织物层与接电板6层之间为间隔纱4线构成的中空结构。每引纬一次，织物层，接电板6层与间隔纱4分别交织一次，形成“8”字形结构。在沿织造方向达9.2mm时，开始使用梭子织造天线辐射元5，选取最上层面纱，使用一个绕有铜绞线的梭子来引纬，穿过提起的经纱3，梭子每引一次纬，打纬一次，完成辐射元5前半部分的40.8mm后，到达馈电网络时，继续织造后半部分辐射元5以及天线结构，织造工作完成。将同轴连接器(JSMA-KFD40)的探针与辐射元5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)采用手糊法将上述微带天线预制件制成复合材料微带天线。

实施例2：低介电玻纤间隔复合材料微带天线

(1)本实施例选用的低介电损耗性能纤维为E玻璃纤维，其细度为300tex，选用的导电纱1、树脂以及固化剂同实施例一。

(2)本实施例所设计的天线工作频率为1.5GHz，所制备的间隔玻纤复合材料厚度为2mm，其介电常数εr＝2，根据经验公式1-1至1-8可计算得到单辐射元5微带天线尺寸参数，如图4所示。其中W和L分别为辐射元5宽和长，WG和LG为成品共形承载微带天线的宽和长FL为微带线7的长度，FD为微带线7的宽度。

(3)织造单辐射元5微带天线预制件。织造方法同实施例一。

(4)采用手糊法将上述微带天线预制件制成复合材料微带天线。

本实施例制得的间隔织物复合材料天线相比实施例1，厚度变小，力学承载能力及稳定性有很大的提高。

实施例3：基于芳纶间隔织物的单辐射元5微带天线

(1)选用芳纶纤维作为纤维复合增强体，细度为167tex；选用锦纶镀银纱线为导电纱1，其细度为20tex。

(2)本实施例所设计的单辐射元5微带天线其工作频率为2.4GHz，其间隔芳纶复合材料的密度以及厚度与实施例一相同，其介电常数εr＝1.8，根据根据经验公式1-1至1-8可计算得到单辐射元5微带天线尺寸参数，如图4所示。其中W和L分别为辐射元5宽和长，WG和LG为成品共形承载微带天线的宽和长FL为微带线7的长度，FD为微带线7的宽度。

(3)织造单辐射元5微带天线预制件。其织造方法同实施例1中的(3)，辐射元5及接电板6由锦纶镀银纱线构成，其余部分由芳纶纤维构成。

Claims (9)

1.一种机织间隔织物结构微带天线的织造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：选择一种低介电损耗性能纤维，在织机上将其织成机织间隔织物；

步骤2)：选择一种树脂将机织间隔织物制成复合材料，测试并计算其介电常数和介电损耗；测试并计算其介电常数和介电损耗；

计算公式如式1-1至1-7所示：其中fr为中心频率，εr为复合材料的介电常数，h为复合材料厚度，c为真空中的光速，W和L分别为辐射元(5)宽和长，λ₀为自由空间波长，λ为介质内波长，WG和LG为成品间隔织物复合材料结构微带天线的宽和长；

$W=\frac{c}{2fr}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ϵ}r+1}}$ 式1-1；

$L=\[\frac{c}{2fr\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}\]-2\mathrm{\Δ}L$ 式1-2；

${\mathrm{\ϵ}}_e=\[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\]+\[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}\]{\[1+\frac{12h}{W}\]}^{-\frac{1}{2}}$ 式1-3；

$\frac{\mathrm{\Δ}L}{h}=0.412\[\frac{{\mathrm{\ϵ}}_e+0.3}{{\mathrm{\ϵ}}_e-0.\mathrm{258}}\]\[\frac{\frac{W}{h}+0.264}{\frac{W}{h}+0.8}\]$ 式1-4；

${\mathrm{\λ}}_g=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}=\frac{c}{f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}$ 式1-5；

LG＝L+0.2λ_g式1-6；

WG＝L+0.2λ_g式1-7；

步骤3)：根据所得到的介电常数计算微带天线辐射元(5)的基本尺寸，选择一种导电纱(1)，与低介电损耗性能的纤维一起织造间隔织物微带天线的辐射元(5)及接地板，同时该辐射元(5)与接地板又分别作为间隔织物的顶层与底层。

步骤4)：采用同轴馈电的方法对所织造的微带天线预制件进行馈电，计算馈电点在辐射元(5)上的位置，将同轴连接器的探针固接在辐射元(5)的馈电点上，同时，将同轴连接器的底座固接在微带天线预制件的下层导电线上；

步骤5)：采用手糊法，使用步骤2)所述的树脂原料将焊有同轴馈电器的微带天线预制件制成所需的复合材料。

2.如权利要求1所述的机织间隔织物结构微带天线的织造方法，其特征在于，所述低介电损耗性能纤维的介电损耗角正切的值小于0.01。

3.如权利要求1或2所述的机织间隔织物结构微带天线的织造方法，其特征在于，所述低介电损耗性能纤维应为玻璃纤维或芳纶纤维。

4.如权利要求1所述的机织间隔织物结构微带天线的织造方法，其特征在于，所述树脂为介电常数在2～6之间，介电损耗小于0.05的任意一种树脂。

5.如权利要求4所述的机织间隔织物结构微带天线的织造方法，其特征在于，所述树脂为环氧树脂，聚四氟乙烯树脂和不饱和乙烯基树脂中的任意一种。

6.如权利要求1所述的机织间隔织物结构微带天线的织造方法，其特征在于，所述机织间隔织物的间隔结构具体为：上下两层为面纱，中间一层为间隔纱(4)。

7.如权利要求1所述的机织间隔织物结构微带天线的织造方法，其特征在于，所述导电纱(1)为金属纤维，导电涂层纤维和碳纤维中的任意一种或多种的混纺纤维。

8.如权利要求7所述的机织间隔织物结构微带天线的织造方法，其特征在于，所述金属纤维为铜线；所述导电涂层纤维为镀银纤维。

9.如权利要求1-8任意一项所述的机织间隔织物结构微带天线的织造方法，其特征在于，所述天线为与树脂相复合的硬质机织间隔织物结构的微带天线，或者不与树脂复合的柔性机织间隔织物结构的天线。