摘 要：傳統(tǒng)天線安裝在飛行器上會產(chǎn)生增大飛機雷達截面積（RCS）、影響氣動性能等問題，嚴重影響飛行器性能，因此，天線與飛行器結(jié)構(gòu)進行一體化設(shè)計是未來機載天線的發(fā)展趨勢之一。本文通過將玻璃纖維復(fù)合材料（FR-4）格柵結(jié)構(gòu)與微帶天線進行復(fù)合，提出了一種輻射/承載一體化天線設(shè)計方案，設(shè)計了格柵夾芯天線和泡沫填充格柵天線。通過電磁仿真和測試表征了兩種天線結(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。面外壓縮試驗結(jié)果表明，通過在格柵夾芯天線填充泡沫，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)，進一步擴展一體化結(jié)構(gòu)的應(yīng)用空間。

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

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.06.002

基金項目： 航空科學(xué)基金（201909053001）

天線是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是飛機上用來輻射和接收電磁波的裝置，承擔著飛機通信、導(dǎo)航、電子對抗等多重任務(wù)[1-2]。為滿足多方面對通信性能的要求，一架飛機上往往裝有70多種天線[3-4]。為了在機身內(nèi)部安裝天線，需要配套凸出機身，并形成鼓包的天線罩；而凸出在機身外部的天線多為刀形天線或鞭狀天線。無論是鼓包還是外部天線，不僅會增大飛機的雷達截面積（RCS），還會對氣動性能產(chǎn)生不利影響，同時增加了飛行器的整體重量（質(zhì)量）、復(fù)雜性以及維護成本[5-7]。同時，機體上任何部位都會對其搭載的通信天線造成各種電磁影響，從而引起天線的輻射特性產(chǎn)生變化，影響天線的電磁性能。因此迫切需要既能與飛機裝備平臺高度集成和融合，又兼具優(yōu)良力學(xué)和電磁性能的天線結(jié)構(gòu)[8]，可見結(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[9]。

針對同時具有優(yōu)良力學(xué)和電磁性能的一體化天線設(shè)計，Baek等[10]提出了一種支持陣列天線的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，通過將天線、復(fù)合材料保護外殼與天線罩進行集成，使天線結(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)展也為一體化天線提供了設(shè)計思路[11]。周金柱等[12-13]提出了多種蜂窩夾芯微帶天線，進而通過植入功能層，設(shè)計了一種集聚光纖傳感器的智能蒙皮天線結(jié)構(gòu)。Ji等[14]提出利用泡沫芯體構(gòu)建一體化天線結(jié)構(gòu)，可以保證天線在與結(jié)構(gòu)集成的同時不損傷任何電磁性能，并對其抗屈曲特性進行了研究。但是以上設(shè)計只是將單一芯體與天線進行簡單復(fù)合，而忽略了夾芯結(jié)構(gòu)芯體的高可設(shè)計性。

近年來，得益于芯體的輕質(zhì)、高剛性、高強度及材料可設(shè)計性等特征，新型復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點[15]。目前常見的芯體材料有格柵[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]。為了進一步提高格柵結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，Zhou Hao等[20]通過數(shù)值和試驗研究了聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫填充對碳纖維復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)抗壓強度的影響，說明PMI泡沫填充可以改變其破壞模式，有效地提高其抗壓強度。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)計出可以實現(xiàn)吸波功能的夾芯結(jié)構(gòu)。

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

因此，本文通過將FR-4格柵結(jié)構(gòu)與微帶天線進行復(fù)合，設(shè)計了一種格柵夾芯天線，在保護微帶天線的同時賦予其承載能力。通過在格柵內(nèi)部填充PMI泡沫，設(shè)計了一種泡沫填充格柵天線，進一步提升了結(jié)構(gòu)的抗壓縮性能。通過仿真和試驗，表征了兩種天線結(jié)構(gòu)的輻射性能。此外，通過試驗表征了格柵夾芯天線和泡沫填充格柵天線的抗壓縮性能并揭示了其增強機理。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，進一步提升結(jié)構(gòu)承載能力。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 天線電磁參數(shù)

一個天線的性能主要可以從三個方面進行表征與評價，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)作為天線設(shè)計時的評估指標，下面對這4個電磁參數(shù)進行詳細介紹。

（1）中心工作頻率及頻帶寬度

每個天線都有一定的頻率范圍，稱為其頻帶寬度，在該范圍內(nèi)天線阻抗小、增益高，可以實現(xiàn)設(shè)計的輻射性能。這個范圍的中間最佳點即為中心工作頻率。

（2）天線方向圖

當一個天線發(fā)射電磁波時，輻射場的相對場強隨球坐標系的角坐標（θ，φ）分布的圖形稱為天線的輻射方向圖，通常采用通過天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面方向圖來表示，即E平面和H平面，其中E平面是電場矢量所在平面，H平面是磁場矢量所在平面。

（3）增益

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

（4）回波損耗S11

1.2 微帶天線設(shè)計

微帶天線通常是由介質(zhì)基板、傳輸線、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，正面則通過印刷特定形狀的金屬薄層作為輻射體。相比于傳統(tǒng)天線，微帶天線不僅體積小、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。輻射貼片的形狀有很多種，可以根據(jù)設(shè)計需要選擇不同的形狀。由于矩形、圓形等輻射貼片天線設(shè)計加工比較簡單，且有較好的輻射特性、較低的交叉極化，所以在微帶天線中最為常見[24]。

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

（1）介質(zhì)基板厚度t的選取

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

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

基于上述理論，可以初步確定微帶天線的結(jié)構(gòu)及其初始尺寸。進而通過建立參數(shù)化模型，以天線工作頻帶更寬、阻抗匹配更優(yōu)、天線增益更高為目標進行參數(shù)優(yōu)選，并結(jié)合實際工藝限制，確定最優(yōu)電磁性能下的尺寸參數(shù)，最終設(shè)計了一款矩形貼片微帶天線，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），其中實部表示材料對電場的響應(yīng)能力，虛部表示其對電場的損耗能力，銅的電導(dǎo)率被設(shè)置為5.8×107S/m。經(jīng)過多輪仿真優(yōu)選，最終確定尺寸參數(shù)為：介質(zhì)基板邊長l = 49mm，厚度t = 0.5mm，矩形貼片長度a和b均確定為21mm，邊距s =14mm，傳輸線寬w = 0.7mm。I區(qū)域為傳輸線深入?yún)^(qū)域，深入距離c = 0.56mm，深入寬度d = 0.36mm；為了更好地實現(xiàn)天線輸入端阻抗匹配，設(shè)置Ⅱ區(qū)域為過渡段，過渡段傳輸線寬度wt = 0.9mm，長度st=1.2mm。

1.3 輻射/承載一體化天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

單純的微帶天線只考慮到天線電磁性能而未考慮到天線在工作過程中的承載問題，而本文設(shè)計一體化天線結(jié)構(gòu)的思路就是利用介電損耗低的材料來構(gòu)建復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的芯體，并進行力學(xué)增強設(shè)計，在不影響微帶天線電磁性能的同時賦予天線結(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)計領(lǐng)域，故本節(jié)通過FR-4構(gòu)建格柵芯體，并將其與微帶天線進行復(fù)合，構(gòu)造格柵夾芯天線，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。為更好地與微帶天線貼合，經(jīng)過多輪優(yōu)選設(shè)計，格柵芯體包含2×2個完整胞元，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一步增強格柵夾芯天線的力學(xué)性能。本文將PMI泡沫填充于格柵夾芯天線中，其余尺寸參數(shù)均保持不變，記為泡沫填充格柵天線。

仿真了微帶天線、格柵夾芯天線、泡沫填充格柵天線的電磁特性，包括S11與實際增益。仿真結(jié)果如圖3所示，三種天線中，格柵夾芯天線性能最優(yōu)，微帶天線次之，泡沫填充格柵天線略差，這是因為格柵結(jié)構(gòu)對電磁波起到了一定的束縛作用，而電磁波在PMI泡沫中傳播會產(chǎn)生一定損耗。但是總的來說，格柵芯體、PMI泡沫與微帶天線的復(fù)合對微帶天線的電磁性能影響不大，三種天線工作頻段均在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)面外方向進行輻射。

2 輻射性能測試

2.1 試驗件制備及測試條件

為了驗證上述仿真所得結(jié)果的正確性，分別制作了格柵夾芯天線、泡沫填充格柵天線的電磁試驗樣件，其制作工藝如圖4所示，具體步驟如下：（1）通過真空輔助成形工藝固化FR-4平板；（2）用精雕機對FR-4平板進行切割，切割為面板與格柵壁，并對格柵壁進行開槽，開槽深度為格柵壁高的一半；（3）格柵壁之間通過相互嵌鎖制備格柵芯體；（4）對結(jié)構(gòu)進行組裝，在PMI泡沫塊上涂抹環(huán)氧樹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)氧樹脂膠將FR-4面板與微帶天線依次粘貼在芯材上下表面。最終得到的電磁試驗試樣如圖5（a）所示，為方便測試，圖中兩種天線均在傳輸線上焊接有射頻連接器。

電磁測試環(huán)境如圖5（b）所示，先利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）測量試樣的S11并確定其工作頻段，之后在微波暗室中測量遠場特性，試樣被固定在水平轉(zhuǎn)臺上，接收天線喇叭（12～16GHz）平行于試件安裝，并與試件中心對正。試驗開始后，轉(zhuǎn)臺開始轉(zhuǎn)動，記錄接收天線喇叭接收到的電磁波，通過對比法計算天線的實際增益。按照以上方法分別測量天線E面和H面的實際增益。

2.2 輻射測試結(jié)果分析

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

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

因此，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本相同，驗證了仿真和設(shè)計的準確性，充分說明通過將FR-4格柵芯體、PMI泡沫與微帶天線進行復(fù)合，可以在不影響電磁性能的同時賦予其承載能力。

3 力學(xué)性能測試

3.1 試驗件設(shè)計及測試條件

為準確表征出格柵夾芯天線、泡沫填充格柵天線的承載性能及承載時的力學(xué)行為，制備了泡沫夾芯天線、格柵夾芯天線、泡沫填充格柵天線三組試驗件來探究結(jié)構(gòu)在準靜態(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)試驗件制備流程與電磁樣件基本相同，但為便于測試，在制備力學(xué)試驗件時沒有焊接射頻連接器；同時由于力學(xué)試驗需要進行鋪層設(shè)計，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，最終制備的試驗件如圖7（b）所示，試樣尺寸大小為49mm× 49mm×16mm。

力學(xué)試驗使用電子萬能試驗機（UTM5105）進行，試驗加載速率設(shè)置為1mm/min。每秒記錄100次的力和位移，試驗過程中使用照相機全程記錄各結(jié)構(gòu)的失效過程，選取典型試樣測試結(jié)果繪制應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

3.2 力學(xué)性能測試結(jié)果分析

3.2.1 力學(xué)性能測試現(xiàn)象

力學(xué)性能測試結(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、格柵夾芯天線和泡沫填充格柵天線三種結(jié)構(gòu)在各個階段的典型試驗現(xiàn)象，并在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上標記了相應(yīng)特征點。

對于泡沫夾芯天線，其壓縮過程可以大致分為兩個階段：線性階段和塑性階段。在線性階段，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入塑性階段，此時峰值應(yīng)力σp1=1.84MPa，之后結(jié)構(gòu)進入平臺期，應(yīng)力一直維持在1.84MPa附近直到泡沫密實，展現(xiàn)出PMI泡沫優(yōu)異的能量吸收性能。

對于格柵夾芯天線而言，其壓縮過程可以分為4個階段：線性階段（A-B）、屈曲階段（B-D）、屈曲破壞階段（DE）和密實階段（E之后）。在線性階段，應(yīng)力線性增加，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法提供足夠的側(cè)向支撐，相繼發(fā)生屈曲，并在開槽端點出現(xiàn)了損傷，此時達到峰值應(yīng)力σp2=2.54MPa（對應(yīng)特征點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，此時應(yīng)力持續(xù)降低（對應(yīng)特征點D）。最后，格柵壁坍塌并發(fā)生折疊，試樣逐漸密實，應(yīng)力再次升高。

與格柵夾芯天線相比，泡沫填充格柵天線的壓縮過程大致也可分為4個階段：線性階段（A-B）、混合損傷階段（B-D）、破壞階段（D-E）和密實階段（E之后）。在線性階段，即使其應(yīng)力值已遠遠超過了泡沫結(jié)構(gòu)與格柵夾芯天線的峰值應(yīng)力，格柵壁始終保持直立直至其到達峰值應(yīng)力σp3 = 10.33MPa（約為格柵夾芯天線的406%），同時其剛度K3= 60.19kN/mm，相比于格柵夾芯天線也略有提升（對應(yīng)特征點B）。此時，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，格柵壁開始屈曲，應(yīng)力開始下降。格柵壁發(fā)生屈曲直到抵住PMI泡沫后，PMI泡沫開始為格柵壁提供側(cè)向支撐，應(yīng)力繼續(xù)增加（對應(yīng)特征點C）。但隨著進一步壓縮，PMI泡沫無法再提供足夠的側(cè)向支撐，使得格柵壁的屈曲變形增大，應(yīng)力開始下降，同時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（對應(yīng)特征點D）。之后格柵壁繼續(xù)屈曲直至發(fā)生斷裂（對應(yīng)特征點E），試驗件逐步被壓實并進入密實階段，使得應(yīng)力再次增加。

3.2.2 有限元仿真及機理分析

為進一步驗證PMI泡沫對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和泡沫填充格柵天線的有限元模型，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小于介質(zhì)基板厚度，在仿真時將其省略，最終建立模型如圖9（a）所示。由于試驗結(jié)果中面板與芯體間沒有明顯的脫黏現(xiàn)象，為了提高計算效率，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三維實體單元劃分網(wǎng)格，對格柵壁的網(wǎng)格進行了更精細的劃分，格柵夾芯天線共劃分130809個網(wǎng)格，泡沫填充格柵天線共劃分173491個網(wǎng)格。利用三維Hashin失效準則[27-28]作為損傷起始判據(jù)并編寫用戶定義VUMAT子程序，各材料力學(xué)參數(shù)見表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、壓縮強度；S12、S13、S23均為剪切強度。

仿真結(jié)果如圖9（b）所示，為便于對比，將仿真與試驗結(jié)果放在一起進行對比，仿真與試驗吻合較好，從仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，泡沫填充格柵天線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，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)致兩種天線結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同的破壞模式。其中，格柵夾芯天線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展示了三種天線結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，以及泡沫填充格柵天線相較格柵夾芯天線和泡沫夾芯天線的力學(xué)性能增強幅度。此外，分別通過將各結(jié)構(gòu)的壓縮強度除以其自身密度，得到了其比壓縮強度。結(jié)果顯示泡沫填充格柵天線的力學(xué)性能得到顯著增強，體現(xiàn)出了明顯的協(xié)同增強效應(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，泡沫填充格柵天線的壓縮強度和比壓縮強度提升了305.91%和118.29%；相較于泡沫夾芯天線，其單位體積和單位質(zhì)量的能量吸收能力分別增強了202.43%和27.61%。

4 結(jié)論

本文提出了一種輻射/承載一體化天線設(shè)計方案，通過將FR-4格柵結(jié)構(gòu)與微帶天線進行復(fù)合，設(shè)計了一種格柵夾芯天線，在保護微帶天線的同時賦予其承載能力。通過在格柵內(nèi)部填充PMI泡沫，設(shè)計了一種泡沫填充格柵天線，在不影響格柵夾芯天線電磁性能的同時，進一步提升結(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泡沫與微帶天線進行復(fù)合對微帶天線的電磁性能影響很小。

（2） 本文輻射/承載一體化天線仿真和電磁測試結(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的強度和能量吸收特性。相較于格柵夾芯天線，泡沫填充格柵天線的壓縮強度和比壓縮強度提升了305.91%和118.29%；相較于泡沫夾芯天線，其單位體積和單位質(zhì)量的能量吸收能力分別增強了202.43%和27.61%。

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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