基于復合材料的天線框架結(jié)構(gòu)設計

管定金

摘 ? 要：隨著科技的不斷進步，復合材料作為一種新型材料開始被應用于生活的各個領(lǐng)域。文章主要通過研究復合材料在天線結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應用，運用對比分析等方法，找到適用于天線框架的極佳材料。

關(guān)鍵詞：復合材料;天線框架;設計

復合材料作為一類新型材料，在生活中時常可以發(fā)現(xiàn)它的身影。與普通的建筑材料相比，復合材料具有更好的強度和剛度，從化學層面分析，還擁有更好的抗腐蝕性。除此之外，復合材料能夠適應的溫差范圍更廣，能夠在不同溫度條件下保持其原有的特性，這就使其相對其他材料更有優(yōu)勢。在受到外界因素影響時，材料的尺寸能夠保證一定的穩(wěn)定性，不易變形。在天線框架設計時，需要選用這一類的材料進行制作，當然，復合材料也多種多樣，需要通過實驗分析找到最適宜的材料加以運用。

1 ? ?復合材料介紹

復合材料簡言之，就是將兩種或兩種以上的種類不相同的材料，通過各樣的方式排列組合形成的新型材料。這種新型材料，相比單一材料而言，可以有效地克服其固有的缺點，并且發(fā)揮出新產(chǎn)品所獨有的優(yōu)勢。比如就強度與剛度這兩方面而言，復合材料就明顯優(yōu)于傳統(tǒng)材料。不僅如此，隨著研究人員的不斷創(chuàng)新，復合材料不斷適應著人民的需要。不僅保留了重量和強度適宜的優(yōu)勢，還改善了其彈性和抵抗腐蝕的水平。近幾年來，隨著復合材料的不斷完善，木材、合金等不斷被其取代，在航天領(lǐng)域、電器領(lǐng)域，甚至身邊隨處可見的器材上，都能發(fā)現(xiàn)復合材料的影子，應用的廣度不斷拓寬。當然，這也與國家政策的指引有關(guān)，隨著環(huán)境惡化，國家出臺有關(guān)環(huán)境保護的法律規(guī)范，許多傳統(tǒng)材料已不再使用。除此以外，復合材料之所以能夠滿足各領(lǐng)域的需要，除了其材料上的固有優(yōu)勢之外，另一個大的特點是，其鋪層的數(shù)量和順序、角度都是可以隨著人們的需要而改變的。這極大地滿足了多樣化的市場需求，有需求就有發(fā)展空間，未來發(fā)展的勢頭不容小覷。

正因為復合材料擁有這些獨到的優(yōu)勢，使之在天線的構(gòu)造上也不可或缺，在近年來，許多發(fā)達國家已經(jīng)著手將復合材料廣泛地應用于天線框架的創(chuàng)造中。從理論上而言，復合材料的應用可以達到輕量程度的標準，但由于天線框架的構(gòu)造需要迎合較高的振動頻率，復合材料需要將其質(zhì)量壓縮到最小。當今學者所努力的方向就是在符合力學要求的前提下，盡可能減輕質(zhì)量，設計出一種能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率、適應現(xiàn)實所需的新型復合產(chǎn)品。

2 ? ?天線架構(gòu)介紹

天線的基本架構(gòu)由兩部分組成，分別是天線和用來支撐天線的其他材料，如圖1所示。為了滿足天線正常運作的條件，必須達到其所要求的電性能，除此之外，還需要精準的結(jié)構(gòu)安置。按照常規(guī)順序，應該從材料的選取入手，然后進行整體結(jié)構(gòu)的配置和細節(jié)尺寸的調(diào)整，既要擁有所需要的強度與質(zhì)量，又要使之滿足電性的要求。只有這樣，才能在最大限度上滿足人們在航天和其他制造業(yè)方面的需求。

3 ? ?天線整體的結(jié)構(gòu)選材

天線框架的選材是結(jié)構(gòu)組成的前提，也是最重要的一步。使用到的材料包括碳纖維復合材料、鋁合金和鈦合金。其中，屬于金屬材料的有鋁合金和鈦合金，主要通過一般金屬適用強度準則來進行測度。而碳纖維復合材料不屬于普通金屬，它主要通過復合材料獨有的適用強度準則來測度。在進行天線框架結(jié)構(gòu)的設計時，碳纖維復合材料的使用有其特殊規(guī)定，即層合板需要通過纖維方向相異的單層材料組合形成，這樣一來，組合形成的層合板強度也很好確定，即各單層材料強度之和。

3.1 ?3種材料輻射單元元距的測度

3.1.1 ?鋁合金材料

鋁合金材料在市面上的應用相當廣泛，小到日常工藝品，大到機械船舶。鋁合金在加入一定元素后，兼顧了強度較高和質(zhì)量較輕這兩方面的優(yōu)點。其σb值可以實現(xiàn) 24～60 kgf/mm2。鋁合金的“比強度”（σb/ρ）在一定程度上比大多數(shù)合金更好。在天線框架的選材時，可以將鋁合金材料用于固定波導的組成，但這也會帶來一定的弊端，即由于溫度的波動，材料會出現(xiàn)扭曲、形狀會發(fā)生改變，這就勢必導致鋁合金所組成的波導隨之改變形態(tài)，膨脹或縮短，這樣一來，檢測的精準度就會有所影響。

將長度為1 m的鋁合金材料放置在溫度變化范圍-55～70 ℃之間的空間里。

以兩個輻射單元之間的距離為單位，形變τ每一單位的均值可以得出值為0.115 mm，那么將所有的輻射單元的距離進行累加可以得出，鋁合金材料在125 ℃的溫差驅(qū)動下，由于形變所導致的誤差可以達到6.137 mm。結(jié)果顯而易見，并不滿足輻射單元間距（±0.05 ） mm的公差限定。

3.1.2 ?鈦合金材料

和鋁合金一樣，鈦合金也是一種在生活中使用的新型制造業(yè)材料（見圖2），特別是在航空領(lǐng)域中不可或缺。強度適中，屬于鋁和鋼的中間水平，有一定的韌性。和鋁相比，鈦合金的優(yōu)勢在于它的強度更高，并且在抗腐蝕性能和耐低溫能力方面更為出眾。鈦作為一種新型金屬，之所以沒有大規(guī)模地進行使用，最大的原因在于成本較高。

將長度為1 m的鈦合金材料放置在溫度變化范圍-55～70 ℃之間的空間里：

以兩個輻射單元之間的距離為單位，形變每一單位的均值可以得出值為0.054 mm，那么將所有的輻射單元的距離進行累加可以得出，鈦合金材料在125 ℃的溫差驅(qū)動下，由于形變所導致的誤差可以達到2.926 mm。雖然距輻射單元間距0.05 mm的公差限定較為接近，但還是不符合精準性的要求。

3.1.3 ?碳纖維復合材料

碳纖維復合材料是一種性能極優(yōu)的新材料，兼顧了高含碳量的優(yōu)點與纖維可塑性強的優(yōu)勢，其產(chǎn)生過程如下，有機纖維通過熱轉(zhuǎn)化的形式轉(zhuǎn)化為無機高性能纖維，在熱轉(zhuǎn)化過程中，不與其他化學纖維相融合，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化和碳化處理及石墨化等層層煉造而成。

將長度為1 m的碳纖維復合材料放置在溫度變化范圍-55～70 ℃之間的空間里：

以兩個輻射單元之間的距離為單位，碳纖維復合材料在125 ℃的溫差驅(qū)動下，其形變每一單位的均值可以得出值為0.001 35 mm，在輻射單元間距0.05 mm的公差限定之內(nèi)，很好地滿足了輻射單元距離的精準性要求，由此說明用碳纖維復合材料制作固定輻射單元是較為合適的。

3.2 ?天線電性能檢測

經(jīng)過上一章節(jié)的研究，僅有碳纖維復合材料符合輻射單元元距的要求。在符合材料的天線電性能檢測這一章中，主要檢驗碳纖維復合材料和殷鋼材料的是否滿足要求。

已知碳纖維材料的膨脹系數(shù)α1為0.27×10-6/℃，殷鋼的膨脹系數(shù)α2為1.6×10-6/℃：=0.15 mm

通過計算可以得出，在碳纖維復合材料的影響下，因溫度波動變化所導致的形變τ數(shù)量大為減少。從質(zhì)量角度而言，碳纖維復合材料的密度僅為殷鋼材料的25%，用于天線結(jié)構(gòu)的組成可以減輕該機制的天線檢測波導的整體重量水平。

4 ? ?結(jié)語

通過實例分析的結(jié)果表明，復合材料制作的天線框架，不同材質(zhì)之間的差別較大。在天線框架的制作過程中，使用新型的碳纖維作為原料能夠最大限度地確保輻射單元之間距離的精確程度，并且由于自身密度小的優(yōu)勢，還能使框架更輕便。面對忽冷忽熱的波動環(huán)境，也能將影響降到最低程度。

[參考文獻]

[1]張福生.先進復合材料筋網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建模及其力學性能分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2018.

[2]胡建強.雙穩(wěn)態(tài)復合材料天線構(gòu)型分析及其電性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2017.

[3]崔悅慧.新型寬帶平面基站天線研究[D].廣州：華南理工大學，2014.

[4]全旭林.寬帶全向天線研究[D].廣州：華南理工大學，2013.

[5]王宸.多頻帶/寬頻帶/圓極化印刷天線及陣列的研究[D].西安：西安電子科技大學，2013.

[6]杜成珠.基于三維正交機織的紡織微帶天線[D].上海：上海大學，2012.