摘 要：傳統(tǒng)天線(xiàn)安裝在飛行器上會(huì)產(chǎn)生增大飛機(jī)雷達(dá)截面積（RCS）、影響氣動(dòng)性能等問(wèn)題，嚴(yán)重影響飛行器性能，因此，天線(xiàn)與飛行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)是未來(lái)機(jī)載天線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)之一。本文通過(guò)將玻璃纖維復(fù)合材料（FR-4）格柵結(jié)構(gòu)與微帶天線(xiàn)進(jìn)行復(fù)合，提出了一種輻射/承載一體化天線(xiàn)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了格柵夾芯天線(xiàn)和泡沫填充格柵天線(xiàn)。通過(guò)電磁仿真和測(cè)試表征了兩種天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的輻射性能，其工作頻段均在12.65～12.85GHz之間，增益均大于10dBi。面外壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)在格柵夾芯天線(xiàn)填充泡沫，可有效地提升原結(jié)構(gòu)的承載特性和能量吸收特性。本文提出的一體化天線(xiàn)結(jié)構(gòu)有效地提高了結(jié)構(gòu)效率，在工程應(yīng)用中可替換飛行器中現(xiàn)有夾芯結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步擴(kuò)展一體化結(jié)構(gòu)的應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞：微帶天線(xiàn)； 格柵結(jié)構(gòu)； 泡沫填充； 一體化設(shè)計(jì)； 力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.06.002

基金項(xiàng)目： 航空科學(xué)基金（201909053001）

天線(xiàn)是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是飛機(jī)上用來(lái)輻射和接收電磁波的裝置，承擔(dān)著飛機(jī)通信、導(dǎo)航、電子對(duì)抗等多重任務(wù)[1-2]。為滿(mǎn)足多方面對(duì)通信性能的要求，一架飛機(jī)上往往裝有70多種天線(xiàn)[3-4]。為了在機(jī)身內(nèi)部安裝天線(xiàn)，需要配套凸出機(jī)身，并形成鼓包的天線(xiàn)罩；而凸出在機(jī)身外部的天線(xiàn)多為刀形天線(xiàn)或鞭狀天線(xiàn)。無(wú)論是鼓包還是外部天線(xiàn)，不僅會(huì)增大飛機(jī)的雷達(dá)截面積（RCS），還會(huì)對(duì)氣動(dòng)性能產(chǎn)生不利影響，同時(shí)增加了飛行器的整體重量（質(zhì)量）、復(fù)雜性以及維護(hù)成本[5-7]。同時(shí)，機(jī)體上任何部位都會(huì)對(duì)其搭載的通信天線(xiàn)造成各種電磁影響，從而引起天線(xiàn)的輻射特性產(chǎn)生變化，影響天線(xiàn)的電磁性能。因此迫切需要既能與飛機(jī)裝備平臺(tái)高度集成和融合，又兼具優(yōu)良力學(xué)和電磁性能的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)[8]，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化已經(jīng)成為飛行器結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢(shì)[9]。

針對(duì)同時(shí)具有優(yōu)良力學(xué)和電磁性能的一體化天線(xiàn)設(shè)計(jì)，Baek等[10]提出了一種支持陣列天線(xiàn)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，通過(guò)將天線(xiàn)、復(fù)合材料保護(hù)外殼與天線(xiàn)罩進(jìn)行集成，使天線(xiàn)結(jié)構(gòu)具備承載能力。除此之外，復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的發(fā)展也為一體化天線(xiàn)提供了設(shè)計(jì)思路[11]。周金柱等[12-13]提出了多種蜂窩夾芯微帶天線(xiàn)，進(jìn)而通過(guò)植入功能層，設(shè)計(jì)了一種集聚光纖傳感器的智能蒙皮天線(xiàn)結(jié)構(gòu)。Ji等[14]提出利用泡沫芯體構(gòu)建一體化天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，可以保證天線(xiàn)在與結(jié)構(gòu)集成的同時(shí)不損傷任何電磁性能，并對(duì)其抗屈曲特性進(jìn)行了研究。但是以上設(shè)計(jì)只是將單一芯體與天線(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單復(fù)合，而忽略了夾芯結(jié)構(gòu)芯體的高可設(shè)計(jì)性。

近年來(lái)，得益于芯體的輕質(zhì)、高剛性、高強(qiáng)度及材料可設(shè)計(jì)性等特征，新型復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[15]。目前常見(jiàn)的芯體材料有格柵[16]、泡沫[17]、蜂窩[18]等，其中，格柵結(jié)構(gòu)因其輕質(zhì)和優(yōu)異的承載性能而受到廣泛關(guān)注[16，19]。為了進(jìn)一步提高格柵結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，Zhou Hao等[20]通過(guò)數(shù)值和試驗(yàn)研究了聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫填充對(duì)碳纖維復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度的影響，說(shuō)明PMI泡沫填充可以改變其破壞模式，有效地提高其抗壓強(qiáng)度。此外，玻璃纖維復(fù)合材料（FR-4）作為一種廣泛應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，因其優(yōu)良的介電和力學(xué)性能[21-22]而被廣泛應(yīng)用于電磁波調(diào)控領(lǐng)域，Cheng Linhao等[23]基于FR-4制備格柵結(jié)構(gòu)，并在格柵壁設(shè)置超材料陣列，設(shè)計(jì)出可以實(shí)現(xiàn)吸波功能的夾芯結(jié)構(gòu)。

綜上所述，現(xiàn)有的一體化天線(xiàn)設(shè)計(jì)方案只是將單一芯體與天線(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單集成，忽略了芯體的高可設(shè)計(jì)性。而利用不同材料進(jìn)行芯體設(shè)計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)增強(qiáng)，還可以實(shí)現(xiàn)電磁吸波、隔熱等多種功能，這就為一體化天線(xiàn)的設(shè)計(jì)提供了一種新的研究思路，即將夾芯結(jié)構(gòu)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的思想與一體化天線(xiàn)進(jìn)行結(jié)合，設(shè)計(jì)出兼具輻射功能與力學(xué)性能增強(qiáng)的一體化天線(xiàn)。

因此，本文通過(guò)將FR-4格柵結(jié)構(gòu)與微帶天線(xiàn)進(jìn)行復(fù)合，設(shè)計(jì)了一種格柵夾芯天線(xiàn)，在保護(hù)微帶天線(xiàn)的同時(shí)賦予其承載能力。通過(guò)在格柵內(nèi)部填充PMI泡沫，設(shè)計(jì)了一種泡沫填充格柵天線(xiàn)，進(jìn)一步提升了結(jié)構(gòu)的抗壓縮性能。通過(guò)仿真和試驗(yàn)，表征了兩種天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的輻射性能。此外，通過(guò)試驗(yàn)表征了格柵夾芯天線(xiàn)和泡沫填充格柵天線(xiàn)的抗壓縮性能并揭示了其增強(qiáng)機(jī)理。該結(jié)構(gòu)兼?zhèn)潆姶泡椛浜统休d性能，有效提高了結(jié)構(gòu)利用效率，在工程應(yīng)用中可替換現(xiàn)有蜂窩夾芯天線(xiàn)，進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)承載能力。

1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 天線(xiàn)電磁參數(shù)

一個(gè)天線(xiàn)的性能主要可以從三個(gè)方面進(jìn)行表征與評(píng)價(jià)，分別是其工作頻率及頻帶寬度、方向特性（方向圖、增益等）及阻抗特性（回波損耗等）。本文選取天線(xiàn)的中心工作頻率及頻帶寬度、方向圖、增益、回波損耗S11等參數(shù)作為天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)的評(píng)估指標(biāo)，下面對(duì)這4個(gè)電磁參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（1）中心工作頻率及頻帶寬度

每個(gè)天線(xiàn)都有一定的頻率范圍，稱(chēng)為其頻帶寬度，在該范圍內(nèi)天線(xiàn)阻抗小、增益高，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的輻射性能。這個(gè)范圍的中間最佳點(diǎn)即為中心工作頻率。

（2）天線(xiàn)方向圖

當(dāng)一個(gè)天線(xiàn)發(fā)射電磁波時(shí)，輻射場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)隨球坐標(biāo)系的角坐標(biāo)（θ，φ）分布的圖形稱(chēng)為天線(xiàn)的輻射方向圖，通常采用通過(guò)天線(xiàn)最大輻射方向上的兩個(gè)相互垂直的平面方向圖來(lái)表示，即E平面和H平面，其中E平面是電場(chǎng)矢量所在平面，H平面是磁場(chǎng)矢量所在平面。

（3）增益

在輸入功率相等時(shí)，實(shí)際天線(xiàn)與理想輻射單元在空間中同一點(diǎn)處產(chǎn)生的功率密度之比。一般來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)增益是所有方向的增益中的最大增益，反映了天線(xiàn)把輸入功率集中輻射的程度，是用來(lái)衡量天線(xiàn)向某一特定方向收發(fā)電磁信號(hào)的能力。

（4）回波損耗S11

1.2 微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)

微帶天線(xiàn)通常是由介質(zhì)基板、傳輸線(xiàn)、輻射貼片以及接地板4部分構(gòu)成，其中基板底部的金屬薄層作為接地板與地相連，正面則通過(guò)印刷特定形狀的金屬薄層作為輻射體。相比于傳統(tǒng)天線(xiàn)，微帶天線(xiàn)不僅體積小、重量輕、低剖面、易共形，而且易集成、成本低，適合批量生產(chǎn)，此外還兼?zhèn)潆娦阅芏鄻踊葍?yōu)勢(shì)。輻射貼片的形狀有很多種，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇不同的形狀。由于矩形、圓形等輻射貼片天線(xiàn)設(shè)計(jì)加工比較簡(jiǎn)單，且有較好的輻射特性、較低的交叉極化，所以在微帶天線(xiàn)中最為常見(jiàn)[24]。

本文選擇矩形微帶天線(xiàn)作為一體化天線(xiàn)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。設(shè)矩形微帶天線(xiàn)介質(zhì)基板的介電常數(shù)為εr，厚度為t。該矩形微帶天線(xiàn)工作頻率為 f ，其自由空間波長(zhǎng)λ0 = c/f，其中c為光速。針對(duì)矩形微帶天線(xiàn)，基于參考文獻(xiàn)[25]的研究，對(duì)各尺寸參數(shù)的初始值進(jìn)行選取。

（1）介質(zhì)基板厚度t的選取

為減少表面波對(duì)電磁性能的影響，介質(zhì)基板厚度t需要滿(mǎn)足0.003λ0 < t < 0.005λ0，同時(shí)其介電常數(shù)εr應(yīng)該盡可能小。

同時(shí)，Yang Fan等[26]發(fā)現(xiàn)將傳輸線(xiàn)深入貼片，形成E形貼片，可以將天線(xiàn)由單個(gè)諧振電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡p個(gè)諧振電路，進(jìn)而增強(qiáng)天線(xiàn)阻抗匹配能力，有效增加天線(xiàn)的工作帶寬。

基于上述理論，可以初步確定微帶天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)及其初始尺寸。進(jìn)而通過(guò)建立參數(shù)化模型，以天線(xiàn)工作頻帶更寬、阻抗匹配更優(yōu)、天線(xiàn)增益更高為目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選，并結(jié)合實(shí)際工藝限制，確定最優(yōu)電磁性能下的尺寸參數(shù)，最終設(shè)計(jì)了一款矩形貼片微帶天線(xiàn)，優(yōu)化后的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中介質(zhì)基板選用聚四氟乙烯（F4B）制備，一面部分覆銅作為輻射貼片，另一面全部覆銅作為接地板，覆銅厚度tm= 0.035mm。在電磁仿真過(guò)程中，F(xiàn)4B與FR-4的電磁參數(shù)分別設(shè)置為2.65（1-j0.001）和4.3（1-j0.025），PMI泡沫的電磁參數(shù)設(shè)置為1.1（1-j0.0054），其中實(shí)部表示材料對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)能力，虛部表示其對(duì)電場(chǎng)的損耗能力，銅的電導(dǎo)率被設(shè)置為5.8×107S/m。經(jīng)過(guò)多輪仿真優(yōu)選，最終確定尺寸參數(shù)為：介質(zhì)基板邊長(zhǎng)l = 49mm，厚度t = 0.5mm，矩形貼片長(zhǎng)度a和b均確定為21mm，邊距s =14mm，傳輸線(xiàn)寬w = 0.7mm。I區(qū)域?yàn)閭鬏斁€(xiàn)深入?yún)^(qū)域，深入距離c = 0.56mm，深入寬度d = 0.36mm；為了更好地實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)輸入端阻抗匹配，設(shè)置Ⅱ區(qū)域?yàn)檫^(guò)渡段，過(guò)渡段傳輸線(xiàn)寬度wt = 0.9mm，長(zhǎng)度st=1.2mm。

1.3 輻射/承載一體化天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單純的微帶天線(xiàn)只考慮到天線(xiàn)電磁性能而未考慮到天線(xiàn)在工作過(guò)程中的承載問(wèn)題，而本文設(shè)計(jì)一體化天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的思路就是利用介電損耗低的材料來(lái)構(gòu)建復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的芯體，并進(jìn)行力學(xué)增強(qiáng)設(shè)計(jì)，在不影響微帶天線(xiàn)電磁性能的同時(shí)賦予天線(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)異的承載能力。

在常用于力學(xué)承載的復(fù)合材料中，F(xiàn)R-4因其優(yōu)異的介電特性與較低的介電損耗而被廣泛應(yīng)用于電磁功能設(shè)計(jì)領(lǐng)域，故本節(jié)通過(guò)FR-4構(gòu)建格柵芯體，并將其與微帶天線(xiàn)進(jìn)行復(fù)合，構(gòu)造格柵夾芯天線(xiàn)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。為更好地與微帶天線(xiàn)貼合，經(jīng)過(guò)多輪優(yōu)選設(shè)計(jì)，格柵芯體包含2×2個(gè)完整胞元，格柵壁厚為0.5mm，芯體高度h= 14.5mm。

Zhou Hao等[20]發(fā)現(xiàn)通過(guò)PMI泡沫填充可以改變碳纖維格柵破壞模式，有效提高其抗壓強(qiáng)度。而PMI泡沫具有良好的透波能力，故可以將其填充于FR-4格柵芯體中，在不影響結(jié)構(gòu)電磁特性的情況下進(jìn)一步增強(qiáng)格柵夾芯天線(xiàn)的力學(xué)性能。本文將PMI泡沫填充于格柵夾芯天線(xiàn)中，其余尺寸參數(shù)均保持不變，記為泡沫填充格柵天線(xiàn)。

仿真了微帶天線(xiàn)、格柵夾芯天線(xiàn)、泡沫填充格柵天線(xiàn)的電磁特性，包括S11與實(shí)際增益。仿真結(jié)果如圖3所示，三種天線(xiàn)中，格柵夾芯天線(xiàn)性能最優(yōu)，微帶天線(xiàn)次之，泡沫填充格柵天線(xiàn)略差，這是因?yàn)楦駯沤Y(jié)構(gòu)對(duì)電磁波起到了一定的束縛作用，而電磁波在PMI泡沫中傳播會(huì)產(chǎn)生一定損耗。但是總的來(lái)說(shuō)，格柵芯體、PMI泡沫與微帶天線(xiàn)的復(fù)合對(duì)微帶天線(xiàn)的電磁性能影響不大，三種天線(xiàn)工作頻段均在12.65～12.85GHz之間，增益均大于10dBi，在工作頻率下，電磁波沿著夾芯結(jié)構(gòu)面外方向進(jìn)行輻射。

2 輻射性能測(cè)試

2.1 試驗(yàn)件制備及測(cè)試條件

為了驗(yàn)證上述仿真所得結(jié)果的正確性，分別制作了格柵夾芯天線(xiàn)、泡沫填充格柵天線(xiàn)的電磁試驗(yàn)樣件，其制作工藝如圖4所示，具體步驟如下：（1）通過(guò)真空輔助成形工藝固化FR-4平板；（2）用精雕機(jī)對(duì)FR-4平板進(jìn)行切割，切割為面板與格柵壁，并對(duì)格柵壁進(jìn)行開(kāi)槽，開(kāi)槽深度為格柵壁高的一半；（3）格柵壁之間通過(guò)相互嵌鎖制備格柵芯體；（4）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，在PMI泡沫塊上涂抹環(huán)氧樹(shù)脂膠并將其嵌入格柵芯體的空隙內(nèi)，形成泡沫填充格柵芯體；最后用環(huán)氧樹(shù)脂膠將FR-4面板與微帶天線(xiàn)依次粘貼在芯材上下表面。最終得到的電磁試驗(yàn)試樣如圖5（a）所示，為方便測(cè)試，圖中兩種天線(xiàn)均在傳輸線(xiàn)上焊接有射頻連接器。

電磁測(cè)試環(huán)境如圖5（b）所示，先利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）測(cè)量試樣的S11并確定其工作頻段，之后在微波暗室中測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)特性，試樣被固定在水平轉(zhuǎn)臺(tái)上，接收天線(xiàn)喇叭（12～16GHz）平行于試件安裝，并與試件中心對(duì)正。試驗(yàn)開(kāi)始后，轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄接收天線(xiàn)喇叭接收到的電磁波，通過(guò)對(duì)比法計(jì)算天線(xiàn)的實(shí)際增益。按照以上方法分別測(cè)量天線(xiàn)E面和H面的實(shí)際增益。

2.2 輻射測(cè)試結(jié)果分析

電磁測(cè)試結(jié)果如圖6所示，其中黑線(xiàn)為仿真結(jié)果，紅線(xiàn)為測(cè)試結(jié)果。圖6（a）～圖6（c）分別為格柵夾芯天線(xiàn)的S11、E面方向圖及H面方向圖。結(jié)果表明，格柵夾芯天線(xiàn)的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本一致，且S11測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果能夠很好吻合，E面方向圖及H面方向圖顯示實(shí)際增益測(cè)試結(jié)果略小于仿真，這是因?yàn)榉抡鏁r(shí)忽略了膠黏劑等因素對(duì)天線(xiàn)性能的影響。

圖6（d）～圖6（f）分別為泡沫填充格柵夾芯天線(xiàn)的S11、E面方向圖及H面方向圖。結(jié)果表明，格柵夾芯天線(xiàn)的E面方向圖及H面方向圖仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合良好，S11誤差主要是由結(jié)構(gòu)制備與測(cè)試時(shí)的不確定因素引起的。

因此，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本相同，驗(yàn)證了仿真和設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，充分說(shuō)明通過(guò)將FR-4格柵芯體、PMI泡沫與微帶天線(xiàn)進(jìn)行復(fù)合，可以在不影響電磁性能的同時(shí)賦予其承載能力。

3 力學(xué)性能測(cè)試

3.1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)及測(cè)試條件

為準(zhǔn)確表征出格柵夾芯天線(xiàn)、泡沫填充格柵天線(xiàn)的承載性能及承載時(shí)的力學(xué)行為，制備了泡沫夾芯天線(xiàn)、格柵夾芯天線(xiàn)、泡沫填充格柵天線(xiàn)三組試驗(yàn)件來(lái)探究結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮載荷作用下的力學(xué)行為及各材料之間的影響關(guān)系。力學(xué)試驗(yàn)件制備流程與電磁樣件基本相同，但為便于測(cè)試，在制備力學(xué)試驗(yàn)件時(shí)沒(méi)有焊接射頻連接器；同時(shí)由于力學(xué)試驗(yàn)需要進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，F(xiàn)R-4板采用G15000/9A16/33%玻璃纖維預(yù)浸料鋪制而成，鋪層方式為[0/90/90/0]；泡沫采用密度為75kg/m3的PMI泡沫，最終制備的試驗(yàn)件如圖7（b）所示，試樣尺寸大小為49mm× 49mm×16mm。

力學(xué)試驗(yàn)使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（UTM5105）進(jìn)行，試驗(yàn)加載速率設(shè)置為1mm/min。每秒記錄100次的力和位移，試驗(yàn)過(guò)程中使用照相機(jī)全程記錄各結(jié)構(gòu)的失效過(guò)程，選取典型試樣測(cè)試結(jié)果繪制應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)。

3.2 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1 力學(xué)性能測(cè)試現(xiàn)象

力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖8所示，為了揭示各材料之間的相互影響，本文展示了泡沫夾芯天線(xiàn)、格柵夾芯天線(xiàn)和泡沫填充格柵天線(xiàn)三種結(jié)構(gòu)在各個(gè)階段的典型試驗(yàn)現(xiàn)象，并在應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)上標(biāo)記了相應(yīng)特征點(diǎn)。

對(duì)于泡沫夾芯天線(xiàn)，其壓縮過(guò)程可以大致分為兩個(gè)階段：線(xiàn)性階段和塑性階段。在線(xiàn)性階段，結(jié)構(gòu)的壓縮剛度為K1=57.01kN/mm，之后其剛度逐漸變小直到進(jìn)入塑性階段，此時(shí)峰值應(yīng)力σp1=1.84MPa，之后結(jié)構(gòu)進(jìn)入平臺(tái)期，應(yīng)力一直維持在1.84MPa附近直到泡沫密實(shí)，展現(xiàn)出PMI泡沫優(yōu)異的能量吸收性能。

對(duì)于格柵夾芯天線(xiàn)而言，其壓縮過(guò)程可以分為4個(gè)階段：線(xiàn)性階段（A-B）、屈曲階段（B-D）、屈曲破壞階段（DE）和密實(shí)階段（E之后）。在線(xiàn)性階段，應(yīng)力線(xiàn)性增加，期間結(jié)構(gòu)的壓縮剛度為K2=57.01kN/mm。但隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，相互嵌鎖的格柵壁之間無(wú)法提供足夠的側(cè)向支撐，相繼發(fā)生屈曲，并在開(kāi)槽端點(diǎn)出現(xiàn)了損傷，此時(shí)達(dá)到峰值應(yīng)力σp2=2.54MPa（對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)B）。之后格柵壁相繼發(fā)生屈曲破壞，發(fā)出纖維斷裂的聲音，此時(shí)應(yīng)力持續(xù)降低（對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)D）。最后，格柵壁坍塌并發(fā)生折疊，試樣逐漸密實(shí)，應(yīng)力再次升高。

與格柵夾芯天線(xiàn)相比，泡沫填充格柵天線(xiàn)的壓縮過(guò)程大致也可分為4個(gè)階段：線(xiàn)性階段（A-B）、混合損傷階段（B-D）、破壞階段（D-E）和密實(shí)階段（E之后）。在線(xiàn)性階段，即使其應(yīng)力值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了泡沫結(jié)構(gòu)與格柵夾芯天線(xiàn)的峰值應(yīng)力，格柵壁始終保持直立直至其到達(dá)峰值應(yīng)力σp3 = 10.33MPa（約為格柵夾芯天線(xiàn)的406%），同時(shí)其剛度K3= 60.19kN/mm，相比于格柵夾芯天線(xiàn)也略有提升（對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)B）。此時(shí)，PMI泡沫與格柵壁之間的膠層可以在一定程度上抑制格柵壁的屈曲。之后隨著應(yīng)變的持續(xù)增加，PMI泡沫與格柵壁之間的膠層發(fā)生破壞，格柵壁開(kāi)始屈曲，應(yīng)力開(kāi)始下降。格柵壁發(fā)生屈曲直到抵住PMI泡沫后，PMI泡沫開(kāi)始為格柵壁提供側(cè)向支撐，應(yīng)力繼續(xù)增加（對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)C）。但隨著進(jìn)一步壓縮，PMI泡沫無(wú)法再提供足夠的側(cè)向支撐，使得格柵壁的屈曲變形增大，應(yīng)力開(kāi)始下降，同時(shí)格柵壁的屈曲使得泡沫芯體發(fā)生塑性變形且格柵壁和PMI泡沫之間出現(xiàn)脫黏現(xiàn)象（對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)D）。之后格柵壁繼續(xù)屈曲直至發(fā)生斷裂（對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)E），試驗(yàn)件逐步被壓實(shí)并進(jìn)入密實(shí)階段，使得應(yīng)力再次增加。

3.2.2 有限元仿真及機(jī)理分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證PMI泡沫對(duì)格柵壁屈曲起到的抑制作用，本節(jié)在某有限元分析軟件中建立了格柵夾芯天線(xiàn)和泡沫填充格柵天線(xiàn)的有限元模型，其由FR-4上下面板、FR-4格柵壁板、F4B介質(zhì)基板和PMI泡沫4組部件裝配而成，由于金屬貼片厚度遠(yuǎn)小于介質(zhì)基板厚度，在仿真時(shí)將其省略，最終建立模型如圖9（a）所示。由于試驗(yàn)結(jié)果中面板與芯體間沒(méi)有明顯的脫黏現(xiàn)象，為了提高計(jì)算效率，面板與芯體之間采用“Tie”約束，其他表面采用“通用接觸”，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3。采用C3D8R三維實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，對(duì)格柵壁的網(wǎng)格進(jìn)行了更精細(xì)的劃分，格柵夾芯天線(xiàn)共劃分130809個(gè)網(wǎng)格，泡沫填充格柵天線(xiàn)共劃分173491個(gè)網(wǎng)格。利用三維Hashin失效準(zhǔn)則[27-28]作為損傷起始判據(jù)并編寫(xiě)用戶(hù)定義VUMAT子程序，各材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。其中，E11、E22分別為縱向和橫向模量；G12、G13分別為面內(nèi)剪切模量；G23為面外剪切模量；XT、XC、YT、YC分別為縱向和橫向拉伸、壓縮強(qiáng)度；S12、S13、S23均為剪切強(qiáng)度。

仿真結(jié)果如圖9（b）所示，為便于對(duì)比，將仿真與試驗(yàn)結(jié)果放在一起進(jìn)行對(duì)比，仿真與試驗(yàn)吻合較好，從仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，泡沫填充格柵天線(xiàn)中代表格柵壁的有限元單元應(yīng)力分布明顯高于代表PMI泡沫的有限元單元，因此兩種結(jié)構(gòu)在受到面外壓縮載荷時(shí)，起到主要承載作用的均為FR-4格柵壁。但是PMI泡沫的填充使得格柵壁的破壞模式發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致兩種天線(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同的破壞模式。其中，格柵夾芯天線(xiàn)的主要破壞模式為格柵壁的屈曲破壞，而在填充PMI泡沫后，由于PMI泡沫提供的側(cè)向支撐作用，格柵壁的屈曲變形得到了抑制，導(dǎo)致其屈曲波長(zhǎng)變短，屈曲臨界載荷值得到了極大的提升，最終使得結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到明顯提高。

3.3 一體化結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

表2展示了三種天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，以及泡沫填充格柵天線(xiàn)相較格柵夾芯天線(xiàn)和泡沫夾芯天線(xiàn)的力學(xué)性能增強(qiáng)幅度。此外，分別通過(guò)將各結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度除以其自身密度，得到了其比壓縮強(qiáng)度。結(jié)果顯示泡沫填充格柵天線(xiàn)的力學(xué)性能得到顯著增強(qiáng)，體現(xiàn)出了明顯的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，而這種現(xiàn)象可以解釋為：PMI泡沫為格柵壁所提供的側(cè)向支撐，大幅提升了格柵壁的臨界破壞值。具體體現(xiàn)在：相較于格柵夾芯天線(xiàn)，泡沫填充格柵天線(xiàn)的壓縮強(qiáng)度和比壓縮強(qiáng)度提升了305.91%和118.29%；相較于泡沫夾芯天線(xiàn)，其單位體積和單位質(zhì)量的能量吸收能力分別增強(qiáng)了202.43%和27.61%。

4 結(jié)論

本文提出了一種輻射/承載一體化天線(xiàn)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)將FR-4格柵結(jié)構(gòu)與微帶天線(xiàn)進(jìn)行復(fù)合，設(shè)計(jì)了一種格柵夾芯天線(xiàn)，在保護(hù)微帶天線(xiàn)的同時(shí)賦予其承載能力。通過(guò)在格柵內(nèi)部填充PMI泡沫，設(shè)計(jì)了一種泡沫填充格柵天線(xiàn)，在不影響格柵夾芯天線(xiàn)電磁性能的同時(shí)，進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)的抗壓縮性能。具體研究結(jié)果如下：

（1） 電磁仿真結(jié)果表明，F(xiàn)R-4格柵芯體、PMI泡沫與微帶天線(xiàn)進(jìn)行復(fù)合對(duì)微帶天線(xiàn)的電磁性能影響很小。

（2） 本文輻射/承載一體化天線(xiàn)仿真和電磁測(cè)試結(jié)果吻合良好，其工作頻段在12.65～12.85GHz之間，增益大于10dBi。

（3） 通過(guò)填充PMI泡沫，抑制了格柵壁屈曲，有效提升了泡沫填充格柵天線(xiàn)的強(qiáng)度和能量吸收特性。相較于格柵夾芯天線(xiàn)，泡沫填充格柵天線(xiàn)的壓縮強(qiáng)度和比壓縮強(qiáng)度提升了305.91%和118.29%；相較于泡沫夾芯天線(xiàn)，其單位體積和單位質(zhì)量的能量吸收能力分別增強(qiáng)了202.43%和27.61%。

參考文獻(xiàn)

[1]許群， 王云香， 劉少斌， 等.飛行器共形天線(xiàn)技術(shù)綜述[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)， 2015， 37（9）： 50-54. Xu Qun， Wang Yunxiang， Liu Shaobin， et al. An overview on conformal antenna technology for aircraft[J]. Modem Radar， 2015， 37（9）： 50-54. （in Chinese）

[2]徐晨，郝金杰.飛行器天線(xiàn)的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 電子世界， 2016（14）： 15. Xu Chen， Hao Jinjie. Development and application of aircraft antenna[J]. Electronic World， 2016（14）： 15. （in Chinese）

[3]朱松.共形天線(xiàn)的發(fā)展及其電子戰(zhàn)應(yīng)用[J]. 中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)， 2007， 2（6）： 6. Zhu Song. Development of conformal antenna and its EW applications[J]. Journal of China Academy of Electronics and Information Technology， 2007， 2（6）： 6. （in Chinese）

[4]Lars J， Patrik P. Conformal array antenna theory and design[M]. Now Jersey： John Wiley & Sons， Inc， 2006.

[5]Dong Jiachen， Zheng Xitao， Han Yajuan， et al. A novel sandwich structured spoof surface plasmon polaritons antenna integrating multibeam and enhanced mechanical performances[J]. Thin-walled Structures， 2024， 194： 111306.

[6]Bishop N A， Miller J， Zeppettella D， et al. A broadband highgain bi-layer LPDA for UHF conformal load-bearing antenna structures （CLASs） applications[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation， 2015， 63（5）： 2359-2364.

[7]Zhang Kun， Zhao Da， Chen Wei， et al. Three-dimensional woven structural glass fiber/polytetrafluoroethylene （PTFE） composite antenna with superb integrity and electromagnetic performance[J]. Composite Structures， 2022， 281： 115096.

[8]史則穎， 葉冬， 彭子寒， 等.飛行器共形天線(xiàn)新型制造工藝及應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 航空學(xué)報(bào)， 2021， 42（10）： 524812. Shi Zeying， Ye Dong， Peng Zihan， et al. Research progress on novel manufacturing approaches of conformal antenna for aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（10）： 524812. （in Chinese）

[9]馬野，宋盛菊，劉焱飛.飛行器新結(jié)構(gòu)技術(shù)展望[J]. 航空科學(xué)技術(shù)，2023，34（11）： 63-74. Ma Ye， Song Shengju， Liu Yanfei. Prospect of new structure technology for flight vehicle[J]. Aeronautical Science & Technology， 2023， 34（11）： 63-748ow93nDSxkywIlb4uFQvkc6c17824BBwt8C0IooxY9M=. （in Chinese）

[10]Baek S M， Lim S J， Ko M G， et al. Structural design， fabrication and static testing of smart composite skin structure： Conformal load-bearing SATCOM array antenna structure（CLSAAS）[J]. International Journal of Aeronautical and Space Sciences， 2020， 21： 50-62.

[11]王榮蕊， 呂麗華. 以復(fù)合材料為基礎(chǔ)的微帶天線(xiàn)的研究進(jìn)展[J]. 上海紡織科技， 2022， 50（8）： 1-4. Wang Rongrui， Lyu Lihua. Research progress of microstrip antennas based on composite materials[J]. Shanghai Textile Science & Technology， 2022， 50（8）： 1-4. （in Chinese）

[12]周金柱， 宋立偉， 杜雷剛， 等. 動(dòng)載荷對(duì)結(jié)構(gòu)功能一體化天線(xiàn)力電性能的影響[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2016， 52（9）：105-115. Zhou Jinzhu， Song Liwei， Du Leigang， et al. Influence of dynamic load on the mechanical and electrical performance of structurally integrated antenna[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2016， 52（9）：105-115. （in Chinese）

[13]Zhou Jinzhu， Cai Zhiheng， Kang Le， et al. Deformation sensing and electrical compensation of smart skin antenna structure with optimal fiber Bragg grating strain sensor placements[J]. Composite Structures， 2019， 211： 418-432.

[14]Ji H J， Hwang W， Park H C， et al. Buckling characteristics of smart skin structures[J]. Composite Structures， 2004， 63（3）： 427-437.

[15]Birman V， Kardomateas G A. Review of current trends in re‐search and applications of sandwich structures[J]. Composites Part B： Engineering， 2018， 142： 221-224.

[16]于雅琳， 李健芳， 黃智彬， 等.復(fù)合材料負(fù)泊松比格柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)性能評(píng)價(jià)[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2021， 38（4）： 1107-1114. Yu Yalin， Li Jianfang， Huang Zhibin， et al. Structural design and mechanical characterization of an auxetic advanced grid structure composite[J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2021， 38（4）： 1107-1114. （in Chinese）

[17]王軒， 冮慶庸， 張世秋. 平紋編織面板泡沫夾芯結(jié)構(gòu)修補(bǔ)后側(cè)向壓縮有限元漸進(jìn)失效分析[J]. 航空科學(xué)技術(shù)， 2022， 33（4）： 81-93. Wang Xuan， Gang Qingyong， Zhang Shiqiu. Progressive failure analysis on repaired foam sandwich structure with plain weave face plate under edgewise compression[J]. Aeronautical Science & Technology， 2022， 33（4）： 81-93. （in Chinese）

[18]左建華， 楊書(shū)儀， 譚毅， 等. 計(jì)及溫度的鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)機(jī)匣抗沖擊性分析[J]. 航空科學(xué)技術(shù)， 2022， 33（8）： 23-31. Zuo Jianhua， Yang Shuyi， Tan Yi， et al. Impact resistance analysis on aluminum honeycomb sandwich structure casing considering temperature[J]. Aeronautical Science & Technology， 2022， 33（8）： 23-31. （in Chinese）

[19]王世勛， 石玉紅， 張希， 等.復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展與應(yīng)用[J]. 宇航材料工藝， 2017， 47（1）： 5-12. Wang Shixun， Shi Yuhong， Zhang Xi， et al. Application and research progress of composite lattice grids structure[J]. Aerospace Materials & Technology， 2017， 47（1）： 5-12. （in Chinese）

[20]Zhou Hao， Liu Rongzhong， Hu Yubing， et al. Quasi-static compressive strength of polymethacrylimide foam-filled square carbon fiber reinforced composite honeycombs[J]. Journal of Sandwich Structures and Materials， 2021， 23（6）： 2358-2374.

[21]阮心怡. 玻纖/碳纖/超材料吸波體夾芯復(fù)合材料設(shè)計(jì)及吸波性能研究[D]. 上海：東華大學(xué)， 2022. Ruan Xinyi. Design and wave absorbing performance of sandwich composites with glass fibers/carbon fibers/ metamaterial absorbers integrated[D]. Shanghai： Donghua University， 2022. （in Chinese）

[22]康逢輝， 張可鑫， 程亞杰， 等. 環(huán)氧樹(shù)脂/玻璃纖維@聚吡咯復(fù)合吸波材料的制備及性能[J].工程塑料應(yīng)用， 2023， 51（10）： 24-30. Kang Fenghui， Zhang Kexin， Cheng Yajie， et al. Preparation and properties of epoxy resin/glass fiber@polypyrrole composite absorbing materials[J]. Engineering Plastics Application， 2023， 51（10）： 24-30. （in Chinese）

[23]Cheng Linhao， Si Yuan， Ji Zhengjiang， et al. A novel linear gradient carbon fiber array integrated square honeycomb structure with electromagnetic wave absorption and enhanced mechanical performances[J]. Composite Structures， 2023， 305： 116510.

[24]夏鵬. 矩形貼片微帶天線(xiàn)尺寸預(yù)測(cè)模型分析與研究[D]. 太原：山西大學(xué)， 2023.Xia Peng. Analysis and research on the size prediction model of rectangular patch microstrip antenna[D]. Taiyuan： Shanxi University， 2023. （in Chinese）

[25]趙偉. 埋微帶天線(xiàn)陣復(fù)合材料疊層結(jié)構(gòu)力電性能分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2020. Zhao Wei. Analysis of mechanical and antenna performance of embed microstrip antenna array laminated composite structures[D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2020. （in Chinese）

[26]Yang Fan， Zhang Xuexia， Ye Xiaoning， et al. Wide-band Eshaped patch antennas for wireless communications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2001， 49（7）： 1094-1100.

[27]Hashin Z. Failure criteria for unidirectional fiber composites[J]. Journal of Applied Mechanics， 1980， 47： 329-334.

[28]Hashin Z， Rotem A. A fatigue failure criterion for fiber reinforced materials[J].Journal of Composite Materials， 1973， 7： 448-464.

[29]白佳瑤， 黃金紅， 侯兵， 等.不同壓潰速度下復(fù)合材料圓管吸能特性試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[J]. 航空科學(xué)技術(shù)， 2021， 32（12）： 66-73. Bai Jiayao， Huang Jinhong， Hou Bing， et al. On the energy absorption properties of composite circular tubes at different impact velocities[J]. Aeronautical Science & Technology， 2021， 32（12）： 66-73. （in Chinese）

Design and Characterization of Radiation/Load-bearing Integrated Antenna Based on Composite Sandwich Structure

Dong Jiachen1， Huang Ruilin1， Qiu Yukun1， Zhang Pengfei2， Yu Xia2， Zheng Xitao1， Yan Leilei1

1. Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China

2. AVIC Chengdu Aircraft Design & Research Institute， Chengdu 610041， China

Abstract： The traditional antenna installed on the aircraft will increase the radar cross-sectional area of the aircraft and affect the aerodynamic performance， which will seriously affect the performance of the aircraft. Therefore， the integrated design of the antenna and the aircraft structure is one of the development trends of the future airborne antenna. In this paper， a radiation/load-bearing integrated antenna design scheme is proposed by combining the glass fiber composite （FR-4） grid structure with the microstrip antenna. The grid sandwich antenna and the foam-filled grid antenna are designed. The radiation performance of the two antenna structures is characterized by electromagnetic simulation and test. The working frequency band is between 12.65～12.85GHz， and the peak gain is greater than 10dBi. The out-of-plane compression test results show that the load-bearing characteristics and energy absorption characteristics of the original structure can be effectively improved by filling the foam in the grid sandwich antenna. The proposed integrated antenna structure effectively improves the structural efficiency， and can replace the existing sandwich structure in the aircraft in engineering applications， further expanding the application space of the integrated structure.

Key Words： microstrip antenna； grid sandwich structure； foam filling； integrated design； mechanical properties