CN115224468B - 一种机翼共形透明微带天线、制备方法及航天器 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种机翼共形透明微带天线、制备方法及航天器，以解决现有技术中存在的共形、隐形、透过率以及稳定性等问题，包括基板层和位于基板层上部的辐射体，其中：基板层设置为由玻璃纤维制备的平面态蜂巢结构；辐射体设置为平面态金属蜂巢结构；基板层和辐射体之间还设置有立体态金刚石结构和平面态石墨结构，立体态金刚石结构由激光对平面态石墨结构辐照后形成，立体态金刚石结构至少部分穿过辐射体的蜂巢结构内腔以及基板层的蜂巢结构内腔。本发明提供的技术方案能够做到良好的共形效果，并且透过率、韧性较强，不容易发生材料脱落等问题。

Description

一种机翼共形透明微带天线、制备方法及航天器

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种机翼共形透明微带天线、制备方法及航天器。

背景技术

无线通信系统向小型化方向不断发展，天线的设计理论经过多年的发展，已经趋于成熟，

在航天领域中，为了增大辐射范围，航天器的机翼上设置有天线，通常会在机翼的多区域设置多个天线，现有的天线正在往小型化方向发展，利用表面结构敷设天线可以减少天线占用的内部空间，因此，在机翼表面敷设天线并且能够实现隐形的效果成为较为热门的研究方向，

现有的隐形天线，在天线的玻璃基板上敷设透明薄膜ITO或者金属网，ITO薄膜或者金属网作为导电体。

在玻璃基板上敷设透明薄膜ITO的做法，由于ITO本身以及玻璃均是透明的，因此可以实现隐形，但是ITO薄膜和玻璃基板的柔韧性均较差，因此无法适应机翼的弧形表面，另外，在透过率方面，在玻璃表面敷设ITO薄膜后，整体透过率受到较大影响，也就是影响了最终的隐形效果。

在玻璃基板上敷设金属网的做法，虽然金属网本身的柔韧性较好，但是玻璃基体本身柔韧性较差，同样无法适用于机翼的弧形表面，并且，金属网相对于ITO薄膜，整体透过率更差，因此隐形效果比ITO薄膜差得多。现有的敷设金属网的方法包括喷涂、丝网印刷，采用上述方法制备的天线在发生弯折时（比如安装天线的部位姿态发生变化），金属网由于柔韧性不足而脱落。

综上所述，现有技术中的天线无法在满足与机翼共形的条件下还能满足隐形、透过率以及稳定性等要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实施例提供了一种机翼共形透明微带天线、制备方法及航天器。

关于本方案，具体而言：

一种机翼共形透明微带天线，包括基板层和位于所述基板层上部的辐射体，其中：所述基板层设置为由玻璃纤维制备的平面态蜂巢结构；所述辐射体设置为平面态金属蜂巢结构；

所述基板层和所述辐射体之间还设置有立体态金刚石结构和平面态石墨结构，所述立体态金刚石结构由激光对平面态石墨结构辐照后形成，所述立体态金刚石结构至少部分穿过辐射体的蜂巢结构内腔以及基板层的蜂巢结构内腔。

更进一步地，所述微带天线设置有功能区和隐形区，所述功能区的底层设置有天线地，所述隐形区的底层未设置天线地；

更进一步地，所述功能区和所述隐形区之间由缝隙相隔。

更进一步地，所述微带天线覆盖于机翼外表面全局或者局部。

更进一步地，所述辐射体由金银合金制备而成。

更进一步地，还包括位于底层的天线地，所述天线地由铜合金薄膜制成。

一种机翼共形透明微带天线的制备方法，包括如下步骤：

由玻璃纤维编织形成平面态蜂巢结构，将制备得到的玻璃纤维蜂巢结构作为基板层；

在基板层上覆盖第一网板，所述第一网板结构为六边形蜂巢结构，所述第一网板的各个棱边设置为缝隙结构；采用磁控溅射方法将金属溅射于第一网板的缝隙结构内，移除所述第一网板后形成平面态金属蜂巢结构；

在平面态金属蜂巢结构上方覆盖第二网板，所述第二网板结构为六边形蜂巢结构，各个六边形腔体镂空；向所述第二网板喷涂石墨，所述第二网板的六边形空腔内填充石墨；激光辐照部分石墨，使得至少部分平面态石墨结构转变为立体态金刚石结构。

更进一步地，所述第一网板和所述第二网板由PET材料制成

更进一步地，激光切割辐射体形成缝隙，所述缝隙将所述辐射体分割为功能区和隐形区，所述功能区执行收发信号功能，所述隐形区无收发信号功能。

更进一步地，在所述功能区的底层设置有天线地，所述隐形区的底层未设置天线地；

一种航天器，包括上述的透明微带天线，所述透明微带天线敷设于机翼。

有益效果分析：

基板层的由玻璃纤维编织而成，六边形蜂巢结构在X Y 方向上的弹性模量相同，因此做到了各向均一化，无论哪个方向发生形变，均能够有效恢复。

辐射体为六边形的金银合金，金银合金附着于基板层的棱边上，形成六边形的蜂巢结构。由于基板层和辐射体均为六边形蜂巢结构，两者在纵向上无位置约束，因此可能发生横向错动。并且附着于基板层的各个棱边上的金银合金韧性不足，在发生变形（例如弯折）的情况下，容易断裂脱落。基于此，在所述基板层和所述辐射体之间还设置有立体态金刚石结构和平面态石墨结构，所述立体态金刚石结构由激光对平面态石墨结构辐照后形成，所述立体态金刚石结构至少部分穿过辐射体的蜂巢结构内腔以及基板层的蜂巢结构内腔。对平面态石墨进行激光照射，经过激光照射后，平面结构的石墨层转变为立体的金刚石结构，照射区域为六边形的六个棱边围合形成的区域，如此形成了钉扎效应，立体的金刚石结构结构类似于钉子将蜂巢状的辐射体钉扎于原位。当发生横向拉伸后，银合金基础层的弹性变形被临近的的金刚石结构结构相阻隔，因此，不容易发生材料脱落的问题，有效增强了材料的韧性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的航天器机翼敷设有透明微带天线的示意图；

图2为图1中I的局部放大图；

图3为本发明实施例提供的透明微带天线的基板层、辐射体、中间体的分解示意图；

图4为第一网板的结构示意图；

图5为第二网板的结构示意图。

附图标记说明：

100-基板层；200-辐射体；300-中间体；

210-功能区；220-隐形区；230-缝隙。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

以下参照附图结合实施例进一步说明本发明。

实施例一

本实施例提供了一种机翼共形透明微带天线，包括基板层100和位于所述基板层上部的辐射体200，其中：

所述基板层设置为由玻璃纤维制备的平面态蜂巢结构；

所述辐射体设置为平面态金属蜂巢结构；

所述基板层和所述辐射体之间还设置有中间体300，中间体包括立体态金刚石结构和平面态石墨结构，所述立体态金刚石结构由激光对平面态石墨结构辐照后形成，所述立体态金刚石结构至少部分穿过辐射体的蜂巢结构内腔以及基板层的蜂巢结构内腔。

效果分析如下：

基板层的由玻璃纤维编织而成，六边形蜂巢结构在X Y 方向上的弹性模量相同，因此做到了各向均一化，无论哪个方向发生形变，均能够有效恢复。

辐射体为六边形的金银合金，金银合金附着于基板层的棱边上，形成六边形的蜂巢结构。由于基板层和辐射体均为六边形蜂巢结构，两者在纵向上无位置约束，因此可能发生横向错动。并且附着于基板层的各个棱边上的金银合金韧性不足，在发生变形（例如弯折）的情况下，容易断裂脱落。基于此，在所述基板层和所述辐射体之间还设置有立体态金刚石结构和平面态石墨结构，所述立体态金刚石结构由激光对平面态石墨结构辐照后形成，所述立体态金刚石结构至少部分穿过辐射体的蜂巢结构内腔以及基板层的蜂巢结构内腔。对平面态石墨进行激光照射，经过激光照射后，平面结构的石墨层转变为立体的金刚石结构，照射区域为六边形的六个棱边围合形成的区域，如此形成了钉扎效应，立体的金刚石结构结构类似于钉子将蜂巢状的辐射体钉扎于原位。当发生横向拉伸后，银合金基础层的弹性变形被临近的的金刚石结构结构相阻隔，因此，不容易发生材料脱落的问题，有效增强了材料的韧性。

为了证明本方案提供的透明微带天线的韧性，进行了弯曲试验：

样本1采用了玻璃基板上涂覆ITO薄膜的方式；

样本2采用了玻璃基板上涂覆金属网的方式；

样本3为本实施例提供的第一种天线架构，具体为：玻璃纤维编织的蜂巢结构基板层上涂覆蜂巢结构金属网格；

样本4为本实施例提供的第二种天线架构，具体为：玻璃纤维编织的蜂巢结构基板层上涂覆蜂巢结构金属网格，并嵌入石墨中间体，石墨中间体经激光照射后，平面层状石墨SP2结构转变为空间立体的SP3结构。

对以上各个样本均采用标准弯曲强度测试方法，测试样品的宽度53mm、厚度0.75mm、跨距100mm，测试结果如下表所示：

试验结果如表1

表1、弯曲实验测试

从表1的弯曲实验测试结果可知：

样本3相对于样本1，弯曲强度增长74.25%，样本3相对于样本2，弯曲强度增长率为59.47%；

样本4相对于样本1，弯曲强度增长77.48%，样本4相对于样本2，弯曲强度增长率为62.42%；样本4相对于样本3，弯曲强度增长率为1.85%

采用本发明提供的天线架构，也就是用玻璃纤维编织的蜂巢结构玻璃网涂覆六边形金属网格，或者进一步在网格中填充石墨中间体然后对部分中间体进行激光辐照，弯曲强度均得到了大幅度提升，

机理在于：

本发明提供的天线架构，由于玻璃基体采用的是玻璃纤维编织的蜂巢结构，蜂巢结构本身在平面各个方向上的弹性恢复性能较佳，不容易发生断裂、崩离等问题，理论上，采用样本3和样本4的架构会取得较好的弹性恢复力。另外，由于样本4另外加入了石墨中间体，并且对石墨中间体采用了激光辐射的处理方案，石墨中间体经激光照射后，平面层状石墨SP2结构转变为空间立体的SP3结构，因此在六边形的腔体内，可以通过控制激光辐照区域而在特定点位产生金刚石立体结构的石墨，平面态石墨和立体态石墨共存的状态，平面态石墨可以增加整体的弯折性能，立体态石墨可以锁定基板层（玻璃纤维网）和辐射体（金属网）的相对位置，避免平面上的相互错动，提高稳定性。

透过率是表征隐形效果的重要指标，本方案在隐形效果上表现优异，以下试验作为佐证：

样本1采用了玻璃基板上涂覆ITO薄膜的方式；

样本2采用了玻璃基板上涂覆金属网的方式；

样本3为本实施例提供的第一种天线架构，具体为：玻璃纤维编织的蜂巢结构基板层上涂覆蜂巢结构金属网格；

样本4为本实施例提供的第二种天线架构，具体为：玻璃纤维编织的蜂巢结构基板层上涂覆蜂巢结构金属网格，并嵌入石墨中间体，石墨中间体经激光照射后，平面层状石墨SP2结构转变为空间立体的SP3结构。

为了表征各个样本的隐形效果，对各个样品在波长为430nm、490nm、550nm、610nm和670m条件下进行透过率实验，其中：

表2

通过以上透过率实验可知：

样本1的透过率整体大于样本2的透过率，因为ITO薄膜是透明的，对整体透过率影响不大，而金属网即使做到了纳米级别，对透过率也有一定的影响。

样本3和样本4的透过率相对于样本1和样本2均有了较大的增长，也就是，采用本发明提供的天线架构，也就是用玻璃纤维编制的蜂巢结构玻璃网涂覆六边形金属网格，或者进一步在网格中填充石墨中间体，透过率均得到了大幅度提升。

机理在于：样本3和样本4的玻璃基板由玻璃纤维编织而成，并且蜂巢结构的网格存在大量的空隙结构，空隙结构有利于光线的透过，另外，辐射体同样采用的是六边形网格结构，也存在大量的空隙结构，因此，样本3和样本4的透过率相对于样本1和样本2均有大幅度提升。对比样本3和样本4，样本4相对于样本3的透过率有所下降，原因在于在辐射体的部分区域增加石墨中间体填充，石墨会导致光线反射的增加，透射的减弱，因而会降低透过率。

除了透明度是评价隐形效果的重要指标之外，还可以在视觉上进行设计。假设局部敷设天线，无论天线的透明度多高，都无可避免的与邻近的未敷设天线的区域产生视觉上的差异，因此，本方案采用了全局敷设天线，通过缝隙230隔离功能区210和隐形区220，这样可以做到整体视觉上的统一性。其中，功能区可以收发信号，隐形区无法收发信号。

共形能力仿真

天线敷设于机翼时，需要集成于机翼，机翼具有大量的弯折区域，因此，天线结构必须具备较强的弯折性能。

为了检验天线在发生一定形变时是否能够保持辐射性能的鲁棒性，发明人对不同弯折状态下的天线进行了研究，弯折模型分别在R=80mm、R=100mm、R=120mm的条件下，R表示天线弯折弧度，R值越小，弯曲弧度越大， 本实验结果显示，在较大范围的弯折条件下，谐振频点匹配效果正常，均能够满足工作需求。

实施例二

本实施例提供了一种机翼共形透明微带天线的制备方法，包括如下步骤：

S1：由玻璃纤维编织形成平面态蜂巢结构，将制备得到的玻璃纤维蜂巢结构作为基板层；

S2：在基板层上覆盖第一网板，所述第一网板结构为六边形蜂巢结构，所述第一网板的各个棱边设置为缝隙结构；采用磁控溅射方法将金属溅射于第一网板的缝隙结构内，移除所述第一网板后形成平面态金属蜂巢结构；

S3：在平面态金属蜂巢结构上方覆盖第二网板，所述第二网板结构为六边形蜂巢结构，各个六边形腔体镂空；向所述第二网板喷涂石墨，所述第二网板的六边形空腔内填充石墨；激光辐照部分石墨，使得至少部分平面态石墨结构转变为立体态金刚石结构。

关于第一网板和第二网板，请参见附图4和图5。

第一网板的棱边为缝隙结构，六边形的中间为实体结构，敷设第一网板后，向第一网板的缝隙里喷涂金属，因此可以形成蜂巢结构的金属网。第一网板优选采用PET材料制成，或者也可以采用金属材料制成。

第二网板的棱边为实体结构，六边形的中间为镂空结构，向镂空结构中填充石墨。第二网板优选采用PET材料制成。

在上述步骤的基础之上，为了进一步提高隐形效果，激光切割辐射体形成缝隙，所述缝隙将所述辐射体分割为功能区和隐形区，所述功能区执行收发信号功能，所述隐形区无收发信号功能。在所述功能区的底层设置有天线地，所述隐形区的底层未设置天线地。

效果说明：

基板层的由玻璃纤维编织而成，六边形蜂巢结构在X Y 方向上的弹性模量相同，因此做到了各向均一化，无论哪个方向发生形变，均能够有效恢复。

辐射体为六边形的金银合金，金银合金附着于基板层的棱边上，形成六边形的蜂巢结构。由于基板层和辐射体均为六边形蜂巢结构，两者在纵向上无位置约束，因此可能发生横向错动。并且附着于基板层的各个棱边上的金银合金韧性不足，在发生变形（例如弯折）的情况下，容易断裂脱落。基于此，在所述基板层和所述辐射体之间还设置有立体态金刚石结构和平面态石墨结构，所述立体态金刚石结构由激光对平面态石墨结构辐照后形成，所述立体态金刚石结构至少部分穿过辐射体的蜂巢结构内腔以及基板层的蜂巢结构内腔。对平面态石墨进行激光照射，经过激光照射后，平面结构的石墨层转变为立体的金刚石结构，照射区域为六边形的六个棱边围合形成的区域，如此形成了钉扎效应，立体的金刚石结构结构类似于钉子将蜂巢状的辐射体钉扎于原位。当发生横向拉伸后，银合金基础层的弹性变形被临近的的金刚石结构结构相阻隔，因此，不容易发生材料脱落的问题，有效增强了材料的韧性。

实施例三

本实施例提供了一种航天器，包括上述的透明微带天线，所述透明微带天线敷设于机翼，该航天器具备透明微带天线的全部有益效果，在此不再赘述。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机翼共形透明微带天线，其特征在于：包括基板层和位于所述基板层上部的辐射体，其中：

所述基板层设置为由玻璃纤维制备的平面态蜂巢结构；

所述辐射体设置为平面态金属蜂巢结构；

所述基板层和所述辐射体之间还设置有中间体，中间体包括立体态金刚石结构和平面态石墨结构，所述立体态金刚石结构由激光对平面态石墨结构辐照后形成，所述立体态金刚石结构至少部分穿过辐射体的蜂巢结构内腔以及基板层的蜂巢结构内腔。

2.根据权利要求1所述的机翼共形透明微带天线，其特征在于：

所述微带天线设置有功能区和隐形区，所述功能区的底层设置有天线地，所述隐形区的底层未设置天线地；

所述功能区和所述隐形区之间由缝隙相隔。

3.根据权利要求2所述的机翼共形透明微带天线，其特征在于：

所述微带天线覆盖于机翼外表面全局或者局部。

4.根据权利要求3所述的机翼共形透明微带天线，其特征在于：

所述辐射体由金银合金制备而成。

5.根据权利要求4所述的机翼共形透明微带天线，其特征在于：

还包括位于底层的天线地，所述天线地由铜合金薄膜制成。

6.一种航天器，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的透明微带天线，所述透明微带天线敷设于机翼。

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