利用普通织机织造三维机织矩形中空结构微带天线的织造方法

1.本发明涉及三维机织物技术领域，具体涉及一种三维机织矩形中空结构的微带天线的织造及制备方法，可应用于航空航天、无线通信等领域。


背景技术：

2.微带天线具有重量轻，体积小，剖面薄的优点。但是现存的铺层结构、夹层结构、三维纺织结构的微带天线都有各自的缺点。铺层结构的微带天线导电部分多是通过印刷导电物质在基板上，或者在基板表面敷一层导电物质，以这种方式结合在一起的结构在受到外力挤压的时候很容易导致分层脱落，使天线丧失功能。夹层结构微带天线的芯薄片各部分的连接是用胶黏剂黏接或通过精心设计切割和放置这些部分，需要黏合剂和灌封化合物来连接插件并稳定加载的核心部分，但是，如果选择的胶粘剂不合适，会对电磁波在介质板和粘胶之间的传播产生较大的影响。夹层结构的微带天线在一定程度上纵向增加了体积，对于一些精密设备天线存在的空间自由度低。三维纺织结构微带天线，虽然解决了天线分层的问题，但是正交方法机织的介质基板，厚实、重量重，且介电常数较高，天线的增益并不理想。“8”字型三维机织间隔结构微带天线，与传统三维纺织微带天线相比，具有极高的中空度，即空气含量较高，本身质量也减轻了。但是“8”字型间隔结构是依靠纱线连接，树脂滴定手糊成型，成型效果不确定，且由于纱线支撑力弱，板面支撑力弱，受到冲击和压缩时很容易塌陷，使天线丧失本身性能。


技术实现要素：

3.本发明目的在于针对现有微带天线结构的不足，利用普通织机，经合理设计，将辐射贴片部分、介质层部分、接地板部分三层一体化织造，使其具有更优异的力学性能和抗损伤性能，能承受更大外部载荷，极大的提升微带天线的整体性和受力稳定性的织造方法。
4.为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
5.利用普通织机织造三维机织矩形中空结构微带天线的织造方法，以三维机织矩形中空结构机织物为增强体，环氧树脂为基体；所述三维机织矩形中空结构微带天线机织物的结构分为三层，自上而下分别为辐射贴片、介质基板和接地板；三层之间通过普通织机织造成一个整体；通过超高分子量的聚乙烯纤维和铜线织造出三维机织矩形中空结构机织物，其具有极高的抗分层能力，断裂韧性和冲击损伤容限，同时又保持了优良的辐射性能；具体包括如下步骤：
6.第一步：选择材料
7.①
绝缘材料：绝缘纱线和树脂的介电常数越低，材料作为绝缘体的效果越好，可以抵抗电子在传输过程中被材料吸收，从而减少损耗。选择超高分子量的聚乙烯纤维(100tex，分子量200万～500万)和环氧树脂(密度0.95～1.20g/cm3,粘度5000～6000cps，介电常数2～4)。
8.②
导电材料：天线的导电材料越好电阻越小，电子的损耗越小，导通越顺畅，且导电线的直径应该和纤维的直径差不多。选择紫铜线。
9.第二步：计算贴片的尺寸
10.本天线单元采用长方形辐射贴片，由微带馈电，根据公式1-1和公式1-2初步确定矩形微带贴片的长和宽。其中εr为介质基板的介电常数，l为辐射贴片长度，w为辐射贴片宽度，εe和δl分别为介质基板的有效介电常数和线伸长量，c为光速，fr为中心频率2.45ghz。
[0011][0012][0013]
为实现天线的辐射，天线单元采用微带线进行馈电，微带线与天线贴片为共面结构，通过调整馈电线尺寸使天线单元获得良好的阻抗匹配特性。天线结构为矩形中空结构，三层一体化织造，根据理论分析确定了天线单元的基本尺寸，在ansoft hfss中建立仿真模型，如图1所示。进行优化设计，微带天线介质板的介电常数2.78，介质板厚度5mm，损耗角正切0.02，天线的仿真模型如图1所示。通过优化设计后，介质基板的长度l＝101mm，宽度w＝82mm，辐射元长度l1＝45mm，宽度w1＝40mm，1/4波长阻抗转换器的长度l2＝22mm，宽度w2＝4.7mm，50ω微带线的长度l3＝22mm，宽度w3＝12mm，中空结构的长度l4＝15mm，宽度w4＝5mm,各层的厚度h1＝h2＝h3＝1mm，如图2所示。
[0014]
第三步：织造三维机织矩形中空结构微带天线织物
[0015]
步骤a)：设计织物的经向截面图，如图3所示，并画出织物的纹板图，如图4所示。在普通织机上织造三维矩形中空结构的微带天线织物，需一体化织造辐射贴片、介质层及接地板。
[0016]
步骤b)：画出织物的经向截面图，曲线代表经纱轨迹，白色曲线代表超高分子量的聚乙烯纤维，黄色曲线代表铜线，圆圈代表纬纱轨迹，白色圆圈代表超高分子量的聚乙烯纤维，黄色圆圈代表铜线。
[0017]
步骤c)：织造整体采用四层经纱，8页综框，顺穿，55号筘。第一层经纱：1、2页综框穿入导电铜线，经纱的宽度由辐射贴片的尺寸决定且穿入综丝的铜线位于织物整体的中间；第二层经纱：3、4页综框穿入绝缘超高分子量聚乙烯纤维纱线，辐射贴片和介质基板由第4页综上的超高分子量聚乙烯纤维纱线上下贯穿，形成支撑结构；第三层经纱：5、6页综框穿入超高分子量聚乙烯纤维纱线；第四层经纱：7、8页综框穿入导电铜线，形成接地板。
[0018]
步骤d)：采用多梭子引纬织造的方法。一共采用4个梭子，第一个梭子引纬铜线，织造辐射贴片。在织造时，根据辐射元尺寸参数，随时改变引纬时所需穿过的经纱根数；第二个梭子引纬超高分子量聚乙烯纤维，织造天线介质基板的上层；第三个梭子引纬超高分子量的聚乙烯纤维，织造介质基板的连接梗(支撑作用)；第四个梭子引纬铜线，织造天线接地板。
[0019]
步骤e)：第一个梭子引纬铜线穿过经纱1、2的梭口，根据辐射贴片的尺寸改变穿过经纱的根数；第二个梭子引纬超高分子量的聚乙烯纤维穿过经纱3、4的梭口；第三个梭子引纬超高分子量的聚乙烯纤维穿过经纱5、6的梭口；第四个梭子引纬铜线穿过经纱7、8的梭
口。织造完成，如图5所示。
[0020]
第四步：浇筑
[0021]
步骤a)：制备支撑物，选择硬质聚氨酯泡沫，切割成中空矩形一样大小的尺寸，作为支撑物，将裁剪好的硬质聚氨酯泡沫填塞到三维机织矩形中空结构微带天线织物的孔洞中，防止树脂把空间堵塞。所述硬质聚氨酯泡沫的密度50～80kg/m3。
[0022]
步骤b)：将环氧树脂和固化剂按照环氧树脂和固化剂质量比100：(30-40)(优选为100：33)的比例混合，搅拌3～5分钟充分混合均匀，在常温真空干燥箱中脱泡处理45分钟～1小时。
[0023]
步骤c)：利用vartm(真空辅助树脂传递模塑)技术，将脱泡后的环氧树脂和固化剂的混合物浇筑到天线上(步骤三所得的机织物中)，固化；固化条件具体为：在80℃～100℃下固化2～3小时或者常温固化24小时以上。
[0024]
步骤d)：固化完成后抽出支撑物。
[0025]
第五步：焊接
[0026]
本发明中采用微带馈电方式对天线馈电，使用同轴馈电器作为馈电端口。连接同轴馈电器时，辐射元部分为铜丝的微带天线需要将端口处上下层树脂刮去并用锡焊固定同轴馈电器。完成同轴连接器焊接后，天线的制作完成。
[0027]
本发明提出轻质、高强、高增益、更小回波损耗、更优辐射性能和更优承载容限的三维机织矩形中空结构共形承载微带天线织造方案。
[0028]
本发明与现有技术相比，具有以下优点与积极效果：
[0029]
本发明的制备方法无需改造织机，在普通织机上即可织造出三维机织矩形中空结构微带天线机织物，降低了生产成本，具有较好的社会效益。通过合理设计，用平纹织物支撑整个厚度方向，且辐射源部分、介质基板部分和接地板部分三层一体化织造，保持了整体性和稳定性(一体织造成型，不会分层现象)，具有更优异的力学性能，能承受更大外部载荷(弯曲载荷可达4500n)，极大的提升微带天线的整体性和受力稳定性，该天线不分层，避免了层间破坏，提高了天线在工作时的结构稳定性。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1：三维机织矩形中空结构微带天线示意图。
[0032]
图2：三维机织矩形中空结构微带天线尺寸图。
[0033]
图3：三维机织矩形中空结构微带天线经向截面图。
[0034]
图4：三维机织矩形中空结构微带天线纹板图。
[0035]
图5：三维机织矩形中空结构微带天线实物图。
[0036]
图6：三维机织矩形中空结构微带天线仿真s
11
曲线图。
[0037]
图7：三维机织矩形中空结构微带天线仿真s
11
的smith圆图。
[0038]
图8：三维机织矩形中空结构微带天线仿真xz截面和yz截面增益方向图；其中红色
曲线表示xz截面增益方向图、绿色曲线表示yz截面增益方向图)。
[0039]
图9：三维机织矩形中空结构微带天线仿真三维增益方向图。
具体实施方式
[0040]
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图做详细说明如下。
[0041]
实施例1
[0042]
一种三维机织矩形中空结构微带天线的织造方法，以三维机织矩形中空结构机织物为增强体，环氧树脂为基体；所述三维机织矩形中空结构微带天线机织物的结构分为三层，自上而下分别为辐射贴片、介质基板和接地板；三层之间通过普通织机织造成一个整体；通过超高分子量的聚乙烯纤维和铜线织造出三维机织矩形中空结构机织物，其具有极高的抗分层能力，断裂韧性和冲击损伤容限，同时又保持了优良的辐射性能；具体包括如下步骤：
[0043]
第一步：选择材料
[0044]
①
绝缘材料：绝缘纱线和树脂的介电常数越低，材料作为绝缘体的效果越好，可以抵抗电子在传输过程中被材料吸收，从而减少损耗。选择超高分子量的聚乙烯纤维和环氧树脂。
[0045]
②
导电材料：天线的导电材料越好电阻越小，电子的损耗越小，导通越顺畅，且导电线的直径应该和纤维的直径差不多。选择紫铜线。
[0046]
本实施例中选用广东启胜新材料科技有限公司提供的超高分子量的聚乙烯纤维长丝(100tex，分子量400万)；选用深圳市郎搏万先进材料有限公司提供的no.1-692k-2/a树脂(密度1.12g/cm3,粘度5500cps，介电常数4)和no.1-692k-2/b固化剂；选用东莞市宝龙合金科技有限公司提供的铜丝(直径0.2mm)；选用中艺精品提供的硬质聚氨酯泡沫(密度80kg/m3)。选用东方旭普数码专营店提供的射频连接器。
[0047]
第二步：计算贴片的尺寸
[0048]
本天线单元采用长方形辐射贴片，由微带馈电，根据公式1-1和公式1-2初步确定长方形辐射贴片的长和宽。其中εr为介质基板的介电常数，l为辐射贴片长度，w为辐射贴片宽度，εe和δl分别为介质基板的有效介电常数和线伸长量，c为光速，fr为中心频率2.45ghz。
[0049][0050][0051]
为实现天线的辐射，天线单元采用微带线进行馈电，微带线与天线贴片为共面结构，通过调整馈电线尺寸使天线单元获得良好的阻抗匹配特性。天线结构为矩形中空结构，三层一体化织造，根据理论分析确定了天线单元的基本尺寸，在ansoft hfss中建立仿真模型，如图1所示。进行优化设计，微带天线介质板的介电常数1.5，介质板厚度5mm，损耗角正切0.02，天线的仿真模型如图1所示。通过优化设计后，介质基板的长度l＝101mm，宽度w＝82mm，辐射元长度l1＝45mm，宽度w1＝40mm，1/4波长阻抗转换器的长度l2＝22mm，宽度w2＝
4.7mm，50ω微带线的长度l3＝22mm，宽度w3＝12mm，中空结构的长度l4＝15mm，宽度w4＝5mm,各层的厚度h1＝h2＝h3＝1mm，如图2所示。
[0052]
第三步：织造三维机织矩形中空结构微带天线织物
[0053]
步骤a):设计织物的经向截面图，如图3所示，并画出织物的纹板图，如图4所示。在普通织机上织造三维矩形中空结构的微带天线织物，需一体化织造辐射贴片部分、介质层部分及接地板部分。
[0054]
步骤b)：画出织物的经向截面图，曲线代表经纱轨迹，白色曲线代表超高分子量的聚乙烯纤维，黄色曲线代表铜线，圆圈代表纬纱轨迹，白色圆圈代表超高分子量的聚乙烯纤维，黄色圆圈代表铜线。
[0055]
步骤c)：织造整体采用四层经纱，8页综框，顺穿，55号筘。第一层经纱：1、2页综框穿入导电铜线(直径0.2mm)，经纱的宽度由辐射贴片的尺寸决定且穿入综丝的铜线位于织物整体的中间；第二层经纱：3、4页综框穿入绝缘超高分子量聚乙烯纤维纱线(100tex)，辐射贴片和介质基板由第4页综上的超高分子量聚乙烯纤维纱线上下贯穿，形成捆绑结构；第三层经纱：5、6页综框穿入超高分子量聚乙烯纤维纱线(100tex)；第四层经纱：7、8页综框穿入导电铜线(直径0.2mm)，形成接地板。
[0056]
步骤d)：采用多梭子引纬织造的方法。一共采用4个梭子，第一个梭子引纬铜线(三根直径0.2mm的铜丝)，织造辐射贴片。在织造时，根据辐射元尺寸参数，随时改变手动引纬时所需穿过的经纱根数；第二个梭子引纬超高分子量聚乙烯纤维(100tex)，织造天线绝缘基板的上层；第三个梭子引纬超高分子量的聚乙烯纤维(100tex)，织造介质基板的连接梗(支撑部分)；第四个引纬铜线(直径0.2mm)，织造天线接地板。
[0057]
步骤e)：第一个梭子引纬铜线穿过经纱1、2的梭口，根据辐射贴片的尺寸手动改变穿过经纱的根数；第二个梭子引纬超高分子量的聚乙烯纤维穿过经纱3、4的梭口；第三个梭子引纬超高分子量的聚乙烯纤维穿过经纱5、6的梭口；第四个梭子引纬铜线穿过经纱7、8的梭口。织造完成，如图5所示。
[0058]
第四步：浇筑
[0059]
步骤a)：制备支撑物，选择硬质聚氨酯泡沫，切割成中空矩形一样大小的尺寸，作为支撑物，填塞到三维机织矩形中空结构微带天线织物的中空位置，防止树脂把空间堵塞。
[0060]
步骤b)：将环氧树脂(no.1-692k-2/a)和固化剂(no.1-692k-2/b)按照100：33的比例混合，搅拌5分钟充分混合均匀，在常温真空干燥箱中脱泡处理1小时。
[0061]
步骤c)：利用vartm(真空辅助树脂传递模塑)技术，将脱泡后的环氧树脂和固化剂的混合物浇筑到天线上(步骤三所得的机织物中)，在80℃下固化2小时。
[0062]
步骤d)：固化完成后抽出支撑物。
[0063]
第五步：焊接
[0064]
本发明中采用微带馈电方式对天线馈电，使用同轴馈电器作为馈电端口。连接同轴馈电器时，辐射元部分为铜丝的微带天线需要将端口处上下层树脂刮去并用锡焊固定同轴馈电器。完成同轴射频连接器焊接后，天线的制作完成。
[0065]
第六步：仿真
[0066]
用hfss软件，进行天线仿真模拟。如图6所示，从分析结果可以看出，天线的谐振频率落在了2.46ghz上，相比较设计的中心频率2.45ghz稍微有些频偏。如图7所示，从s
11
的
smith圆图的结果报告中可以看出，2.45ghz时的归一化阻抗为(0.3049+0.2123j)ω就可以达到很好的匹配状态了。从图8和图9的天线增益图可以看出，增益的最大值在主瓣方向上，展示了天线的良好辐射特性。