基于復(fù)合材料的天線框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管定金

摘 ? 要：隨著科技的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料作為一種新型材料開(kāi)始被應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域。文章主要通過(guò)研究復(fù)合材料在天線結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用，運(yùn)用對(duì)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(fù)合材料;天線框架;設(shè)計(jì)

復(fù)合材料作為一類新型材料，在生活中時(shí)常可以發(fā)現(xiàn)它的身影。與普通的建筑材料相比，復(fù)合材料具有更好的強(qiáng)度和剛度，從化學(xué)層面分析，還擁有更好的抗腐蝕性。除此之外，復(fù)合材料能夠適應(yīng)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(duì)其他材料更有優(yōu)勢(shì)。在受到外界因素影響時(shí)，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(shè)計(jì)時(shí)，需要選用這一類的材料進(jìn)行制作，當(dāng)然，復(fù)合材料也多種多樣，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析找到最適宜的材料加以運(yùn)用。

1 ? ?復(fù)合材料介紹

復(fù)合材料簡(jiǎn)言之，就是將兩種或兩種以上的種類不相同的材料，通過(guò)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(diǎn)，并且發(fā)揮出新產(chǎn)品所獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。比如就強(qiáng)度與剛度這兩方面而言，復(fù)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(fù)合材料不斷適應(yīng)著人民的需要。不僅保留了重量和強(qiáng)度適宜的優(yōu)勢(shì)，還改善了其彈性和抵抗腐蝕的水平。近幾年來(lái)，隨著復(fù)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(jiàn)的器材上，都能發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的影子，應(yīng)用的廣度不斷拓寬。當(dāng)然，這也與國(guó)家政策的指引有關(guān)，隨著環(huán)境惡化，國(guó)家出臺(tái)有關(guān)環(huán)境保護(hù)的法律規(guī)范，許多傳統(tǒng)材料已不再使用。除此以外，復(fù)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(shì)之外，另一個(gè)大的特點(diǎn)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(chǎng)需求，有需求就有發(fā)展空間，未來(lái)發(fā)展的勢(shì)頭不容小覷。

正因?yàn)閺?fù)合材料擁有這些獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，使之在天線的構(gòu)造上也不可或缺，在近年來(lái)，許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)著手將復(fù)合材料廣泛地應(yīng)用于天線框架的創(chuàng)造中。從理論上而言，復(fù)合材料的應(yīng)用可以達(dá)到輕量程度的標(biāo)準(zhǔn)，但由于天線框架的構(gòu)造需要迎合較高的振動(dòng)頻率，復(fù)合材料需要將其質(zhì)量壓縮到最小。當(dāng)今學(xué)者所努力的方向就是在符合力學(xué)要求的前提下，盡可能減輕質(zhì)量，設(shè)計(jì)出一種能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率、適應(yīng)現(xiàn)實(shí)所需的新型復(fù)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(lái)支撐天線的其他材料，如圖1所示。為了滿足天線正常運(yùn)作的條件，必須達(dá)到其所要求的電性能，除此之外，還需要精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)安置。按照常規(guī)順序，應(yīng)該從材料的選取入手，然后進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的配置和細(xì)節(jié)尺寸的調(diào)整，既要擁有所需要的強(qiáng)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?cè)诤教旌推渌圃鞓I(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(fù)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(guò)一般金屬適用強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行測(cè)度。而碳纖維復(fù)合材料不屬于普通金屬，它主要通過(guò)復(fù)合材料獨(dú)有的適用強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)測(cè)度。在進(jìn)行天線框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的使用有其特殊規(guī)定，即層合板需要通過(guò)纖維方向相異的單層材料組合形成，這樣一來(lái)，組合形成的層合板強(qiáng)度也很好確定，即各單層材料強(qiáng)度之和。

3.1 ?3種材料輻射單元元距的測(cè)度

3.1.1 ?鋁合金材料

鋁合金材料在市面上的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，小到日常工藝品，大到機(jī)械船舶。鋁合金在加入一定元素后，兼顧了強(qiáng)度較高和質(zhì)量較輕這兩方面的優(yōu)點(diǎn)。其σb值可以實(shí)現(xiàn) 24～60 kgf/mm2。鋁合金的“比強(qiáng)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(shí)，可以將鋁合金材料用于固定波導(dǎo)的組成，但這也會(huì)帶來(lái)一定的弊端，即由于溫度的波動(dòng)，材料會(huì)出現(xiàn)扭曲、形狀會(huì)發(fā)生改變，這就勢(shì)必導(dǎo)致鋁合金所組成的波導(dǎo)隨之改變形態(tài)，膨脹或縮短，這樣一來(lái)，檢測(cè)的精準(zhǔn)度就會(huì)有所影響。

將長(zhǎng)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(gè)輻射單元之間的距離為單位，形變?chǔ)用恳粏挝坏木悼梢缘贸鲋禐?.115 mm，那么將所有的輻射單元的距離進(jìn)行累加可以得出，鋁合金材料在125 ℃的溫差驅(qū)動(dòng)下，由于形變所導(dǎo)致的誤差可以達(dá)到6.137 mm。結(jié)果顯而易見(jiàn)，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(jiàn)圖2），特別是在航空領(lǐng)域中不可或缺。強(qiáng)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(shì)在于它的強(qiáng)度更高，并且在抗腐蝕性能和耐低溫能力方面更為出眾。鈦?zhàn)鳛橐环N新型金屬，之所以沒(méi)有大規(guī)模地進(jìn)行使用，最大的原因在于成本較高。

將長(zhǎng)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(gè)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(jìn)行累加可以得出，鈦合金材料在125 ℃的溫差驅(qū)動(dòng)下，由于形變所導(dǎo)致的誤差可以達(dá)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(zhǔn)性的要求。

3.1.3 ?碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)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(diǎn)與纖維可塑性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，其產(chǎn)生過(guò)程如下，有機(jī)纖維通過(guò)熱轉(zhuǎn)化的形式轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)高性能纖維，在熱轉(zhuǎn)化過(guò)程中，不與其他化學(xué)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(zhǎng)度為1 m的碳纖維復(fù)合材料放置在溫度變化范圍-55～70 ℃之間的空間里：

以兩個(gè)輻射單元之間的距離為單位，碳纖維復(fù)合材料在125 ℃的溫差驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)性要求，由此說(shuō)明用碳纖維復(fù)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(cè)

經(jīng)過(guò)上一章節(jié)的研究，僅有碳纖維復(fù)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(cè)這一章中，主要檢驗(yàn)碳纖維復(fù)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(guò)計(jì)算可以得出，在碳纖維復(fù)合材料的影響下，因溫度波動(dòng)變化所導(dǎo)致的形變?chǔ)訑?shù)量大為減少。從質(zhì)量角度而言，碳纖維復(fù)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(jī)制的天線檢測(cè)波導(dǎo)的整體重量水平。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)例分析的結(jié)果表明，復(fù)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(guò)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(shì)，還能使框架更輕便。面對(duì)忽冷忽熱的波動(dòng)環(huán)境，也能將影響降到最低程度。

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