CN116613530A - 一种基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线 - Google Patents
一种基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线，利用碳基材料MXene作为天线材料，沿垂直方向设有内部中空的Vivaldi天线单元和底部的同轴馈电结构，Vivaldi天线单元在中轴线的上部为特定形状的弧线形开口，下部为连接体，在连接体和弧形开口之间设有特定尺寸的渐变槽线结构和L形槽线结构，在L形槽线水平部分的末端设有矩形反射腔，同轴馈电结构中的外导体与连接体底部相连，介质层和内导体穿过连接体，内导体与L形槽线水平部分的上表面相连，实现天线馈电。本发明通过对多段槽线的设计优化实现了天线的超宽带阻抗匹配，通过采用具有高导电率碳基材料MXene代替金属，在保证天线增益损失较小的情况下大幅降低了天线重量实现了天线的轻量化。
Description
技术领域
本发明属于雷达技术，具体涉及一种基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线。
背景技术
雷达通过无线电探测目标的位置和方向，是一种重要的信息获取设备。超宽带相控阵雷达具有波束易扫描和多波束形成等特点，且由于其工作频率较宽，因而具有更好的分辨率、测距能力和抗干扰能力。为了实现这些特点，则需要设计性能良好的超宽带天线单元。Vivaldi天线由于结构简单、阻抗带宽宽且增益和方向图稳定，因而成为超宽带天线单元的理想选择。其中，由于全金属天线相比传统微带天线具有功率容量高、损耗低的特点而得到了更为广泛的应用。但同时，传统金属材料如铝、铜或钢均存在重量较高的问题，这使得部分对重量较为敏感的平台在进行设备集成时遇到极大困难，因此对天线前端进行轻量化改进十分重要。
碳基材料MXene是一种由MAX相中剥离A层的二位过渡金属碳氮化合物，具有丰富表面官能基团、良好的化学和机械稳定性以及优异的电导率。这些特性使得该材料可以替代部分应用场景下金属的功能，同时易于与其他材料混合形成符合材料并易于低成本地加工成型。
三维打印技术也常被称为增材制造技术，是一种可以直接利用数据信息加工出三维物理模型的自动制造技术。不同于传统减材制造方式需要从大块的原材料中裁剪出需要的形状，三维打印通过逐层添加的方式实现整体模型的制造加工，这也使其可以实现一些传统工艺无法实现的模型制造。
发明内容
本发明提出了一种基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线，通过对多段槽线的设计优化实现了天线的超宽带阻抗匹配，通过采用具有高导电率碳基材料MXene代替金属，在保证天线增益损失较小的情况下大幅降低了天线重量实现了天线的轻量化。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线，利用碳基材料MXene作为天线材料，沿垂直方向设有内部中空的Vivaldi天线单元和底部的同轴馈电结构，Vivaldi天线单元在中轴线的上部为特定形状的弧线形开口，下部为连接体，在连接体和弧形开口之间设有特定尺寸的渐变槽线结构和L形槽线结构，在L形槽线水平部分的末端设有矩形反射腔，同轴馈电结构中的外导体与连接体底部相连，介质层和内导体穿过连接体，内导体与L形槽线水平部分的上表面相连，实现天线馈电。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）利用电流的趋肤效应，通过设计天线内部空腔从而降低了天线重量，并通过三维打印技术实现了这一设计。
（2）通过采用高导电率的碳基MXene复合材料代替金属，在损失天线性能极小的情况下大幅降低了天线重量。
（3）通过在碳基材料MXene中加入液态金属镓铟合金(GaIn)，从而增强了复合材料的导电性能，且材料易于加工，成本低。
附图说明
图1为本发明的天线的三维视图。
图2为本发明的天线的主视图。
图3为本发明的天线沿垂直方向剖分后的视图。
图4为本发明的天线输入端口电压驻波比(VSWR)曲线图。
图5为本发明的天线增益曲线图。
图6为本发明的天线在中心频点处的辐射方向图。
图中，1-Vivaldi天线单元，2-同轴馈电结构，3-弧线形开口，4-连接体，5-渐变槽线结构，6-L形槽线结构，7-矩形反射腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。
下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
本发明针对现有全金属超宽带天线重量过重的问题，采用多种技术手段，从不同角度对这一问题进行了改善，设计了一种基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线，本发明所设计的天线具有超宽工作频带、重量轻和易于制造等特点。
目前，用于加工制作全金属超宽带天线的材料为铝合金，平均密度为2.7g/cm3，电导率约为2×107S/m。基于天线辐射性能的考量，用于制作天线的材料需要足够高的电导率以避免能量在天线本体上的损耗，可接受的电导率至少需要达到106S/m量级；同时，考虑到在金属材料中很难找到密度低于铝合金的2.7g/cm3且低成本的材料，因此所述轻质超宽带天线选择了碳基材料MXene作为目标天线材料。碳基MXene作为一种由MAX相前驱体刻蚀获得的过渡碳化合物，该碳基MXene材料不仅具有极轻的重量和良好的导电性，同时也具有多种官能团，使其可以与其他材料相复合，从而进一步实现性能的提升。利用碳基材料MXene表面官能团丰富的特性，在室温下为液态的镓铟合金(GaIn)作为一种常用的液态金属可与之通过简单的超声分散进行充分混合，形成一种轻质的碳基复合材料。所述碳基复合材料在进一步与光敏聚合物混合后，即可制备成易于通过三维打印工艺光固化加工成形的浆料。
结合图1~图3，基于轻质碳基复合材料的特性和性能指标的需求，所述基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线（简称为轻质超宽带天线）包含一个沿垂直方向放置的内部中空的Vivaldi天线单元1和底部的同轴馈电结构2，Vivaldi天线单元1在中轴线的上部为特定形状的弧线形开口3，下部为连接体4，在连接体4和弧形开口之间设有特定尺寸的渐变槽线结构5和L形槽线结构6，在L形槽线结构6的水平部分的末端设有矩形反射腔7，同轴馈电结构2中的外导体与连接体4底部相连，介质层和内导体穿过连接体4，内导体与L形槽线结构6的水平部分的上表面相连，实现天线馈电。
所述Vivaldi天线单元1整体高度L为65.75mm，天线宽度W为40mm，天线厚度T为
4.8mm；所述Vivaldi天线单元1的上部弧线形开口3曲线，其中a、b均为弧
线开口相关常数，x为自变量，z为因变量，弧线形开口3的弧线弧度常数R=0.04，弧线形开口
3的下端宽度Wt为1.8mm；所述天线下部L形槽线结构6的宽度Ws为1.25mm，L形槽线结构6的
水平部分长度Ls为4mm；矩形反射腔7长度Lc为12mm，宽度Wc为4.5mm。
由于电磁场和交变电流在金属和类金属材料上存在趋肤效应，电流的趋肤深度满
足，其中分别对应代表了材料的趋肤深度、交变电场的角频率、材料
磁导率和材料电导率。可以发现，随着材料电导率的提高，趋肤深度随之降低。针对电导率，磁导率的材料，在2GHz频率下，趋肤深度，即电流和电场会集中分布于材料表面，因此在所
Vivaldi天线单元1内部设计中空结构，并不会对天线的正常工作造成影响，且可以降低整
体重量。所述Vivaldi天线单元1内部空腔结构形成的内壁与外壁在平面处控制为1mm，弧线
所对应面处采用平面近似，且满足内壁与外壁距离不小于1mm。经估算，当没有中空设计时，
所述Vivaldi天线体积约为9.8cm3，若考虑铝金属（密度2.7g/cm3），则单个天线单元1质量约
为26.46g。如图3所示的内部空腔体积经估算约为4cm3，因此该设计可以实现约41%的减重
效果。由于所述天线采用密度为0.9g/cm3的复合材料制作，因此总体减重幅度可以达到约
80%。
所述轻质超宽带天线采用三维打印技术进行加工和制备，打印路径采用从后向前的方式进行。由于Vivaldi天线单元1的下部连接体4相对其上部在前后方向上突出，因此在打印过程中打印出沿45°方向排布的菱形网格，从而在打印过程中支撑Vivaldi天线单元1上部。所述菱形支撑网格结构在结束打印后会切除并对天线表面进行处理，以保证天线辐射体的外部形状。所述天线内部的空腔中，有在三维打印的过程中打印出的菱形支撑网格，用较少的材料支撑起天线的空腔结构。所述轻质超宽带天线的弧线形开口3通过三维打印高精度一体成型。
图4表明，所述轻质天线在2~18GHz频率范围内端口电压驻波比VSWR<3，可以实现阻抗匹配。
图5表明，所述轻质天线在2~18GHz频率范围内增益为2.5~11dBi。
图6表明，所述轻质天线在中心频点（10GHz）处有良好的定向辐射特性。
综上所述，本发明所述的基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线，结合指标要求和现存问题，对天线所用材料和结构设计进行了整合创新，Vivaldi天线单元1中使用碳基MXene复合材料来替代传统金属铝和铜等，并使用三维打印技术实现内部中空设计，从而实现了整体重量的降低。仿真及测试结果表明，本发明所述的基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线可以得到具有超宽带的工作带宽，同时具有重量轻、结构简单、易于加工制造等优点，具有实用价值。
Claims (8)
1.一种基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线，其特征在于：利用碳基材料MXene作为天线材料，沿垂直方向设有内部中空的Vivaldi天线单元和底部的同轴馈电结构，Vivaldi天线单元在中轴线的上部为特定形状的弧线形开口，下部为连接体，在连接体和弧形开口之间设有特定尺寸的渐变槽线结构和L形槽线结构，在L形槽线水平部分的末端设有矩形反射腔，同轴馈电结构中的外导体与连接体底部相连，介质层和内导体穿过连接体，内导体与L形槽线水平部分的上表面相连，实现天线馈电。
2.根据权利要求1所述的基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线，其特征在于：Vivaldi天线整体高度L为65.75mm，天线宽度W为40mm，天线厚度T为4.8mm。
3.根据权利要求1所述的基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线，其特征在于：Vivaldi天线单元的上部的弧线形开口曲线符合下式：
，
其中a、b均为弧线开口相关常数，x为自变量，z为因变量，弧线弧度常数R=0.04，弧线形开口的下端宽度Wt为1.8mm。
4.根据权利要求1所述的基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线，其特征在于：天线下部的L形槽线结构的宽度Ws为1.25mm，L形槽线结构的水平部分长度Ls为4mm。
5.根据权利要求1所述的基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线，其特征在于：矩形反射腔长度Lc为12mm，宽度Wc为4.5mm。
6.根据权利要求1所述的基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线，其特征在于：Vivaldi天线单元的内部空腔结构形成的内壁与外壁在平面处控制为1mm，弧线形开口的弧线所对应面处采用平面近似，且满足内壁与外壁距离不小于1mm。
7.根据权利要求1所述的基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线，其特征在于：采用三维打印技术进行加工，打印路径采用从后向前的方式进行；由于Vivaldi天线单元下部的连接体相对其上部在前后方向上突出，因此在打印过程中打印出沿45°方向排布的菱形网格，从而在打印过程中支撑Vivaldi天线单元的上部；菱形网格在结束打印后会切除并对天线表面进行处理，以保证天线辐射体的外部形状。
8.根据权利要求7所述的基于碳基材料MXene和三维打印技术的轻质超宽带天线，其特征在于：Vivaldi天线单元内部的空腔中，有在三维打印的过程中打印出的菱形网格用于支撑。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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