基于复合材料的天线框架结构设计

管定金

摘   要：随着科技的不断进步，复合材料作为一種新型材料开始被应用于生活的各个领域。文章主要通过研究复合材料在天线结构领域的应用，运用对比分析等方法，找到适用于天线框架的极佳材料。

关键词：复合材料;天线框架;设计

复合材料作为一类新型材料，在生活中时常可以发现它的身影。与普通的建筑材料相比，复合材料具有更好的强度和刚度，从化学层面分析，还拥有更好的抗腐蚀性。除此之外，复合材料能够适应的温差范围更广，能够在不同温度条件下保持其原有的特性，这就使其相对其他材料更有优势。在受到外界因素影响时，材料的尺寸能够保证一定的稳定性，不易变形。在天线框架设计时，需要选用这一类的材料进行制作，当然，复合材料也多种多样，需要通过实验分析找到最适宜的材料加以运用。

1    复合材料介绍

复合材料简言之，就是将两种或两种以上的种类不相同的材料，通过各样的方式排列组合形成的新型材料。这种新型材料，相比单一材料而言，可以有效地克服其固有的缺点，并且发挥出新产品所独有的优势。比如就强度与刚度这两方面而言，复合材料就明显优于传统材料。不仅如此，随着研究人员的不断创新，复合材料不断适应着人民的需要。不仅保留了重量和强度适宜的优势，还改善了其弹性和抵抗腐蚀的水平。近几年来，随着复合材料的不断完善，木材、合金等不断被其取代，在航天领域、电器领域，甚至身边随处可见的器材上，都能发现复合材料的影子，应用的广度不断拓宽。当然，这也与国家政策的指引有关，随着环境恶化，国家出台有关环境保护的法律规范，许多传统材料已不再使用。除此以外，复合材料之所以能够满足各领域的需要，除了其材料上的固有优势之外，另一个大的特点是，其铺层的数量和顺序、角度都是可以随着人们的需要而改变的。这极大地满足了多样化的市场需求，有需求就有发展空间，未来发展的势头不容小觑。

正因为复合材料拥有这些独到的优势，使之在天线的构造上也不可或缺，在近年来，许多发达国家已经着手将复合材料广泛地应用于天线框架的创造中。从理论上而言，复合材料的应用可以达到轻量程度的标准，但由于天线框架的构造需要迎合较高的振动频率，复合材料需要将其质量压缩到最小。当今学者所努力的方向就是在符合力学要求的前提下，尽可能减轻质量，设计出一种能够实现高频率、适应现实所需的新型复合产品。

2    天线架构介绍

天线的基本架构由两部分组成，分别是天线和用来支撑天线的其他材料，如图1所示。为了满足天线正常运作的条件，必须达到其所要求的电性能，除此之外，还需要精准的结构安置。按照常规顺序，应该从材料的选取入手，然后进行整体结构的配置和细节尺寸的调整，既要拥有所需要的强度与质量，又要使之满足电性的要求。只有这样，才能在最大限度上满足人们在航天和其他制造业方面的需求。

3    天线整体的结构选材

天线框架的选材是结构组成的前提，也是最重要的一步。使用到的材料包括碳纤维复合材料、铝合金和钛合金。其中，属于金属材料的有铝合金和钛合金，主要通过一般金属适用强度准则来进行测度。而碳纤维复合材料不属于普通金属，它主要通过复合材料独有的适用强度准则来测度。在进行天线框架结构的设计时，碳纤维复合材料的使用有其特殊规定，即层合板需要通过纤维方向相异的单层材料组合形成，这样一来，组合形成的层合板强度也很好确定，即各单层材料强度之和。

3.1  3种材料辐射单元元距的测度

3.1.1  铝合金材料

铝合金材料在市面上的应用相当广泛，小到日常工艺品，大到机械船舶。铝合金在加入一定元素后，兼顾了强度较高和质量较轻这两方面的优点。其σb值可以实现 24～60 kgf/mm2。铝合金的“比强度”（σb/ρ）在一定程度上比大多数合金更好。在天线框架的选材时，可以将铝合金材料用于固定波导的组成，但这也会带来一定的弊端，即由于温度的波动，材料会出现扭曲、形状会发生改变，这就势必导致铝合金所组成的波导随之改变形态，膨胀或缩短，这样一来，检测的精准度就会有所影响。

将长度为1 m的铝合金材料放置在温度变化范围-55～70 ℃之间的空间里。

以两个辐射单元之间的距离为单位，形变τ每一单位的均值可以得出值为0.115 mm，那么将所有的辐射单元的距离进行累加可以得出，铝合金材料在125 ℃的温差驱动下，由于形变所导致的误差可以达到6.137 mm。结果显而易见，并不满足辐射单元间距（±0.05 ） mm的公差限定。

3.1.2  钛合金材料

和铝合金一样，钛合金也是一种在生活中使用的新型制造业材料（见图2），特别是在航空领域中不可或缺。强度适中，属于铝和钢的中间水平，有一定的韧性。和铝相比，钛合金的优势在于它的强度更高，并且在抗腐蚀性能和耐低温能力方面更为出众。钛作为一种新型金属，之所以没有大规模地进行使用，最大的原因在于成本较高。

将长度为1 m的钛合金材料放置在温度变化范围-55～70 ℃之间的空间里：

以两个辐射单元之间的距离为单位，形变每一单位的均值可以得出值为0.054 mm，那么将所有的辐射单元的距离进行累加可以得出，钛合金材料在125 ℃的温差驱动下，由于形变所导致的误差可以达到2.926 mm。虽然距辐射单元间距0.05 mm的公差限定较为接近，但还是不符合精准性的要求。

3.1.3  碳纤维复合材料

碳纤维复合材料是一种性能极优的新材料，兼顾了高含碳量的优点与纤维可塑性强的优势，其产生过程如下，有机纤维通过热转化的形式转化为无机高性能纤维，在热转化过程中，不与其他化学纤维相融合，经热稳定氧化和碳化处理及石墨化等层层炼造而成。

将长度为1 m的碳纤维复合材料放置在温度变化范围-55～70 ℃之间的空间里：

以两个辐射单元之间的距离为单位，碳纤维复合材料在125 ℃的温差驱动下，其形变每一单位的均值可以得出值为0.001 35 mm，在辐射单元间距0.05 mm的公差限定之内，很好地满足了辐射单元距离的精准性要求，由此说明用碳纤维复合材料制作固定辐射单元是较为合适的。

3.2  天线电性能检测

经过上一章节的研究，仅有碳纤维复合材料符合辐射单元元距的要求。在符合材料的天线电性能检测这一章中，主要检验碳纤维复合材料和殷钢材料的是否满足要求。

已知碳纤维材料的膨胀系数α1为0.27×10-6/℃，殷钢的膨胀系数α2为1.6×10-6/℃：=0.15 mm

通过计算可以得出，在碳纤维复合材料的影响下，因温度波动变化所导致的形变τ数量大为减少。从质量角度而言，碳纤维复合材料的密度仅为殷钢材料的25%，用于天线结构的组成可以减轻该机制的天线检测波导的整体重量水平。

4    结语

通过实例分析的结果表明，复合材料制作的天线框架，不同材质之间的差别较大。在天线框架的制作过程中，使用新型的碳纤维作为原料能够最大限度地确保辐射单元之间距离的精确程度，并且由于自身密度小的优势，还能使框架更轻便。面对忽冷忽热的波动环境，也能将影响降到最低程度。

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