CN213692325U - 复合材料天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及复合材料技术领域，提供了一种复合材料天线，其包括：用以收发信号的辐射体层；和该辐射体层同轴设置且与其上表面紧密贴合的第一保护层和与该辐射体层同轴设置且与该辐射体层下表面紧密贴合的第二保护层，且该第一保护层和/或该第二保护层为与该辐射体层表面共形设置且具有三维编织结构的芳纶纤维复合材料。该复合材料天线利用芳纶纤维复合材料具有的优异的力学性能、电绝缘性能、透波性能、高强度、高模量、低比重和低的线膨胀系数，在满足天线性能要求的同时，可实现天线的小型化和轻质化，还提高了该复合材料天线的可靠性。

Description

复合材料天线

技术领域

本实用新型涉及复合材料技术领域，具体涉及一种复合材料天线。

背景技术

通信、雷达、导航、广播等无线电技术设备，都是通过无线电波来传递信息的，用来发射和接收无线电波的装置称为天线。目前，传统天线多以金属材料进行制备，这种金属材质的天线虽然具有较好的弹性刚度和较高的强度，但由于天线自身重量大，金属材料容易发生腐蚀，且天线的体积较大，不利于仪器的小型化和轻质化的应用需求。

由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性性能优良、耐化学腐蚀等特点，各个组成材料在性能上起协同作用，具有单一材料无法比拟的优越综合性能，目前已广泛应用在航空航天等领域中。

现有技术中应用有轻质夹芯复合材料的一种天线方案中，虽然在满足传输性能的基础上实现了小型化和轻质化，但其在冲击载荷下，易发生局部蒙皮开裂和芯材破坏；而在另一种实心结构天线方案中，易实现轻质化，但天线产品整体的体积较大，收纳和运输成本会相应增高，不利于实际使用。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种复合材料天线，可以在满足传输性能的基础上实现天线设备的小型化和轻质化，同时提高天线结构的稳定性。

根据本实用新型提供的一种复合材料天线，其包括：

辐射体层，用以收发信号；

保护层，包括与该辐射体层同轴设置且与该辐射体层上表面紧密贴合的第一保护层和与该辐射体层同轴设置且与该辐射体层下表面紧密贴合的第二保护层，该第一保护层和/或该第二保护层的材质为芳纶纤维。

优选地，该复合材料天线为管状天线。

优选地，前述第一保护层同轴设置在前述辐射体层的上表面，

前述第二保护层同轴设置在前述辐射体层的下表面。

优选地，前述辐射体层的材质为导电碳纤维。

优选地，前述第一保护层为缠绕在前述辐射体层上表面的三维编织结构，

和/或前述第二保护层为贴合前述辐射体层下表面的三维编织结构。

优选地，前述第二保护层远离前述辐射体层的一面环绕成中空结构。

优选地，该复合材料天线还包括：

内芯，与前述辐射体层同轴设置，前述第二保护层远离该辐射体层的一面环绕贴合在该内芯的表面。

优选地，该内芯为树脂基材料。

优选地，该内芯为选自：环氧树脂、酚醛树脂、氰酸脂、双马来酰亚胺树脂和聚酰亚胺树脂中的任意一种。

优选地，该复合材料天线还包括：

线缆，与前述辐射体层同轴设置，前述第二保护层远离该辐射体层的一面环绕贴合在该线缆的表面。

优选地，前述辐射体层、第一保护层和第二保护层均为以形状记忆高分子作为基材组成的复合材料层。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种复合材料天线，包括：用以收发信号的辐射体层；与该辐射体层同轴设置且与该辐射体层上表面紧密贴合的第一保护层和与该辐射体层同轴设置且与该辐射体层下表面紧密贴合的第二保护层，且该第一保护层和/或该第二保护层的材质为芳纶纤维，该复合材料天线利用芳纶纤维复合材料具有的优异的力学性能、电绝缘性能、透波性能、高强度、高模量、低比重和低的线膨胀系数，在满足天线性能要求的同时，可实现天线的小型化和轻质化，还提高了该复合材料天线的可靠性。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出本实用新型实施例提供的一种复合材料天线的结构示意图；

图2示出图1所示的复合材料天线沿轴线方向的截面图；

图3示出图1所示的复合材料天线沿垂直于轴线方向的截面图；

图4示出图1所示的复合材料天线中辐射体层的三维编织结构在二维平面投影的结构示意图；

图5示出本实用新型替代实施例中的复合材料天线的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

下面，参照附图对本实用新型进行详细说明。

图1示出本实用新型实施例提供的一种复合材料天线的结构示意图，图2示出图1所示的复合材料天线沿轴线方向的截面图，图3示出图1所示的复合材料天线沿垂直于轴线方向的截面图。

参考图1～图3，本实用新型实施例提供了一种复合材料天线100，该复合材料天线100为管状柔性天线，其包括：用以收发信号的辐射体层120，以及保护层，该保护层包括与该辐射体层120同轴设置且与该辐射体层120的上表面紧密贴合的第一保护层110和与该辐射体层120同轴设置且与该辐射体层120的下表面紧密贴合的第二保护层130，该第一保护层110和/或该第二保护层130的材质为芳纶纤维。在本实施例中，该第一保护层110和该第二保护层130的材质均优选为芳纶纤维，且第二保护层130在远离辐射体层120的一面环绕成中空结构，形成有空腔140。

该复合材料天线100利用芳纶纤维复合材料具有的优异的力学性能、电绝缘性能、透波性能、高强度、高模量、低比重和低的线膨胀系数，能在满足天线性能要求的同时，实现天线的小型化和轻质化，还能提高了该复合材料天线100的可靠性。

具体的，该第一保护层110、辐射体层120和第二保护层130依次同轴设置，该第一保护层110紧密贴合于辐射体层120的上表面，第二保护层130紧密贴合于辐射体层120的下表面，如图1所示。

进一步的，该辐射体层120的材质例如为但不限于导电碳纤维。

因导电碳纤维作为一种高导电性的材料，其综合性能优异，具有很多其它材料无可比拟的优点，除具有高导电性能之外，其还具有耐腐蚀、耐磨、耐高温、强度高、质轻等特点，应用非常广泛。

在本实施例中，优选利用导电碳纤维形成的复合材料，通过缠绕或编织在第二保护层的上表面形成三维编织结构的辐射体层120，如图4所示。能在实现天线传输性能的同时，实现天线的轻质化和小型化。当然也可以利用其他具有导电性能的高分子材料形成该辐射体层，在此不作限制。

进一步的，该第一保护层110为缠绕在辐射体层120上表面的三维编织结构，和/或该第二保护层130为贴合在辐射体层120下表面的三维编织结构。

根据相关技术，层合复合材料因层的存在而带来力学性能的弱点：如易分层、开裂敏感和损伤扩展快、沿厚度方向的刚度和强度低、冲击韧性和损伤容限水平较低、抗面内剪切强度低等。编织结构复合材料是三维编织技术和现代复合材料技术相结合的产物，它与传统复合材料具有较大的区别，它是具有多轴纤维取向的高度整体化的连续纤维集合体。

三维编织结构的复合材料的一个突出特点是提高了沿厚度方向的力学性能；而且与传统层合复合材料不同，三维编织结构的复合材料由于具有多向纱线构成空间互锁网状结构(高度的整体性)，从根本上克服了分层现象，并具有较好的抗冲击韧性能和抗疲劳特性能；此外三维编织结构的复合材料能够直接成型许多具有复杂形状的结构，为设计和制造净尺寸复合材料部件提供了可能，特别是与RTM(碳纤维树脂传递模塑成型工艺)技术的结合，在一定程度上也降低了天线制造成本。

进一步的，本实施例中三维编织结构的模型为选自但不限于纤维互锁胞体模型、纤维倾斜模型或三细胞模型中的任意一种。在本实施例中，三维编织结构例如选为纤维互锁胞体模型，如图4所示。

进一步的，该复合材料天线100的空腔140中可填充内芯或线缆，其填充的内芯可通过对其结构和夹层厚度等结构参数进行设计和优化，获得与入射波更好的电磁匹配；填充的线缆可通过耦合结构连接辐射体层120和外部通讯设备，利用该复合材料天线100完成与外部通讯设备的信息传输。

参考图5，在本实用新型替代的实施例中，该复合材料天线200与上述实施例中的天线100基本相同，其包括：用以收发信号的辐射体层220，以及保护层，该保护层包括与该辐射体层220同轴设置且与该辐射体层220的上表面紧密贴合的第一保护层210和与该辐射体层220同轴设置且与该辐射体层220的下表面紧密贴合的第二保护层230，且该第一保护层210和/或该第二保护层230的材质为芳纶纤维。

区别之处在于：该复合材料天线200还包括内芯240，一般采用纸蜂窝或者泡沫聚合物充当内芯，以芳纶纤维形成的复合材料的第一保护层和第二保护层作为蒙皮，以此提高介电性能，此外可通过对其结构和夹层厚度等结构参数进行设计和优化，获得与入射波更好的电磁匹配，从而实现更低损耗的目的。

进一步的，内芯240与辐射体层220同轴设置，第二保护层230远离该辐射体层220的一面环绕贴合在该内芯240的表面。

进一步的，该内芯240为树脂基材料。

进一步的，该内芯为选自：环氧树脂、酚醛树脂、氰酸脂、双马来酰亚胺树脂和聚酰亚胺树脂中的任意一种。相较于其他材料，聚酰亚胺具有优越的机械、介电、绝缘、耐辐射、耐腐蚀、耐高低温等性能，是有机高分子材料中综合性能最好的材料之一，故在本实施例中，内芯240的材质优选为聚亚甲基聚酰亚胺树脂。

进一步的，前述实施例中的辐射体层220(和/或120)、第一保护层210(和/或110)，以及第二保护层230(和/或130)均为以形状记忆高分子作为基材组成的复合材料层。

这样形成的复合材料天线可以在常温下进行折叠、收卷或收纳，在使用时，通过升温至转变温度以上，使复合材料天线的结构自动恢复到设计形态，有利于天线的小型化设计。

在本实用新型的一种实施方案中，例如可采用钢制模具作为芯轴，采用芳纶纤维作为第一保护层和第二保护层，采用导电碳纤维作为天线辐射体层，制备时，先将芳纶纤维缠绕或编织在芯轴模具上形成第一保护层，然后缠绕或编织碳纤维结构形成辐射体层，最后缠绕或编织芳纶纤维形成第二保护层。其整体结构浸润形状记忆高分子单体后，通过交联硫化，成型为管状柔性天线，如图1所示。得到的复合材料天线，可实现在空闲状态下折叠收纳，减小占用空间以方便运输和容置；在使用状态下通过将温度提升到转变温度以上，自动实现天线的展开，由此可实现天线的小型化和轻质化。

在本实用新型的另一种实施方案中，例如可采用聚亚甲基聚酰亚胺作为内芯，利用芳纶纤维预浸料缠绕或铺贴在内芯上形成第二保护层(该芳纶纤维预浸料以及下文中其他材质预浸料的制备为公开的现有技术方案，在此不做赘述)，然后缠绕或铺贴碳纤维预浸料形成辐射体层，最后缠绕或铺贴芳纶纤维预浸料形成第一保护层，在整体固化成型后，可以得到轻质高强的夹芯结构的管状天线。形成的该天线在实现小型化和轻质化的同时，还具备有良好的抗冲击、耐磨损、耐腐蚀特性。

综上所述，本实用新型提供的复合材料天线包括：用以收发信号的辐射体层；和该辐射体层同轴设置且与其上表面紧密贴合的第一保护层和与该辐射体层的下表面紧密贴合的第二保护层，且该第一保护层和/或该第二保护层为与该辐射体层表面共形设置且具有三维编织结构的芳纶纤维复合材料。该复合材料天线利用芳纶纤维复合材料具有的优异的力学性能、电绝缘性能、透波性能、高强度、高模量、低比重和低的线膨胀系数，在满足天线性能要求的同时，可实现天线的小型化和轻质化，还提高了该复合材料天线的可靠性。

应当说明的是，在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种复合材料天线，其特征在于，包括：

辐射体层，用以收发信号；

保护层，包括与所述辐射体层同轴设置且与该辐射体层上表面紧密贴合的第一保护层和与所述辐射体层同轴设置且与该辐射体层下表面紧密贴合的第二保护层，

所述第一保护层和/或所述第二保护层的材质为芳纶纤维。

2.根据权利要求1所述的复合材料天线，其特征在于，所述复合材料天线为管状柔性天线。

3.根据权利要求1所述的复合材料天线，其特征在于，所述辐射体层的材质为导电碳纤维。

4.根据权利要求2所述的复合材料天线，其特征在于，所述第一保护层为缠绕在所述辐射体层上表面的三维编织结构，

和/或所述第二保护层为贴合所述辐射体层下表面的三维编织结构。

5.根据权利要求4所述的复合材料天线，其特征在于，所述第二保护层远离所述辐射体层的一面环绕成中空结构。

6.根据权利要求5所述的复合材料天线，其特征在于，还包括：

内芯，与所述辐射体层同轴设置，所述第二保护层远离所述辐射体层的一面环绕贴合在所述内芯的表面。

7.根据权利要求6所述的复合材料天线，其特征在于，所述内芯为树脂基材料。

8.根据权利要求7所述的复合材料天线，其特征在于，所述内芯为选自：环氧树脂、酚醛树脂、氰酸脂、双马来酰亚胺树脂和聚酰亚胺树脂中的任意一种。

9.根据权利要求5所述的复合材料天线，其特征在于，还包括：

线缆，与所述辐射体层同轴设置，所述第二保护层远离所述辐射体层的一面环绕贴合在所述线缆的表面。

10.根据权利要求1所述的复合材料天线，其特征在于，所述辐射体层、第一保护层和所述第二保护层均为以形状记忆高分子作为基材组成的复合材料层。

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