微带贴片天线应变传感器优化设计研究

承载部件作为高端装备中最常见的结构单元,在役过程中受载荷和应力集中影响极易萌生裂纹,导致结构失效,实时监测结构关键部件的应变状态对保障结构健康至关重要。基于微波无损检测技术,揭示了矩形微带贴片天线的辐射元尺寸对其固有谐振频率的影响规律,探究了微带贴片天线谐振频率与应变的相互作用机理。矩形微带贴片天线可激发单频和双频谐振频率,改变矩形辐射元的长度或宽度,其谐振频率会发生频移。实验结果表明,当对金属接地板施加一定拉应力时,贴片天线几何尺寸会发生改变,其谐振频率也随之发生偏移,据此可推算出金属接地板的应变大小,这对关键承载部件的应变和裂纹实时监测具有重要的研究意义。     

用于金属裂缝检测和测量的微带天线传感器

文中基于微带天线辐射原理设计了用于金属裂缝检测和表征的传感器。传感器实质是由一个金属谐振腔制成,金属谐振腔的谐振频率对传感器的辐射贴片和金属地的电特性极其敏感。把被测金属结构当作传感器的金属地,金属结构的裂缝扩展导致了传感器谐振频率的偏移。因此,通过读取传感器谐振频率的偏移量来检测和表征金属裂缝。从传感器辐射贴片的两个方向对金属裂缝进行了测试,通过实验测试发现:当金属裂缝沿辐射贴片宽度方向存在时,传感器的检测灵敏度是18 MHz/mm,当裂缝沿辐射贴片长度方向存在时,传感器的检查灵敏度是27.5 MHz/mm。传感器由耐高温的氧化铝和金属银浆料制成,因此可以应用到一些高温、高压恶劣环境下。     

贴片天线传感器平面二维应变测量方法研究

贴片天线传感器因无源无线、结构简单,能同时感知结构应变、裂纹等优点,在结构健康监测中具有广阔的发展前景。针对贴片天线应变传感器一维测量特性与被测结构的多维变形之间的维度差异问题,从理论上分析了贴片天线传感器的双频应变敏感特性,设计了一种用于二维应变测量的组合贴片天线传感器,由垂直布置的贴片天线及一片斜向45°布置的寄生贴片天线组成,基质材料选用耐热性和耐潮性较好的FR4层压板。采用COMSOL Multiphysics仿真软件研究了组合贴片天线传感器的"谐振频率-应变"关系,通过试验探究了其平面结构的二维应变检测性能,并与电阻应变片测量结果进行对比。理论、仿真和试验结果均表明,组合贴片天线检测平面结构的二维应变效果良好,可应用于板梁结构平面应力场的主应力和主方向测量。     

复合基质结构优化设计下的应变测量灵敏度提高研究

针对当前微带天线传感器应变测量灵敏度较低的问题,对基质结构进行研究,设计了一种带空气层的复合基质天线传感器.结合遗传算法应用HFSS软件对传感器结构参数进行优化设计,仿真研究最优解下的复合基质天线传感器"谐振频率-应变"关系.对所设计的复合基质天线传感器进行拉伸对比试验,其应变测量灵敏度是传统微带贴片天线传感器的3.1...     

接地板变形对微带阵列电性能影响的仿真分析

针对微带阵列天线在制造与使用过程中接地板存在变形的情况,仿真分析了碗状与正弦周期2种结构变形对天线电性能的影响。首先将结构规则的微带贴片天线等效为2条辐射缝隙,研究了其接地板变形对其端口特性与辐射性能的影响。然后通过改变贴片长度和馈电点位置调整了天线的谐振频率和阻抗匹配。在此基础上,建立了矩形排布的4×4贴片阵列,分析了接地板碗状变形与正弦周期变形对阵列辐射性能的影响。仿真数据与图表反映了接地板变形对阵列天线电性能的影响规律。     

基于LC的无线无源应变传感器的制备与测试北大核心CSCD

针对恶劣环境下检测装备应变的需求,设计了一种无线无源的应变传感器,此传感器采用电感电容分离的结构,可以有效延长使用寿命,减少电磁干扰。通过高频结构模拟器(HFSS)仿真对传感器电场进行仿真,验证了其可行性。采用电镀技术制备了传感器,搭建应变测试平台对其进行测试,测试结果表明,该传感器可以检测0~2 500με范围内的应变,传感器谐振频率随应变的增大规律性地向右偏移,应变灵敏度为7.6 Hz/με。由测试结果可知,该无线无源应变传感器可以稳定地进行应变监测且测试结果可靠。     

宽谐振区光学纳米天线的谐振

提出了一种有双谐振频率和较宽谐振区域的纳米天线结构.利用有限积分法,计算了由金构成的表面等离子体光学纳米天线的谐振特性,研究了在谐振区域内谐振频率和谐振电场随位置变化的情况.结果表明,在不同谐振频率下存在两个谐振电场,在中间区域,谐振频率为270 THz,在侧边间隙区,谐振频率为390 THz;激励源为1 V/m时,其谐振电场均达700 V/m以上,是普通偶极子天线的18倍;第一谐振区域的谐振场集中在10～25 nm,在此范围内,谐振电场较大、谐振频率几乎不变;加上折射率为1.5的玻璃衬底后,天线的谐振电场达到800 V/m,与没有衬底时相比,谐振频率变化很小.研究的天线结构在高性能的光学纳米天线、太阳能电池和生物传感器方面有潜在的应用价值.     

无源无线应变传感器中压电材料接触力学模型研究

针对现有无源无线传感器存在稳定性差,抗干扰能力不强,传输距离过短的问题,提出一种新型无源无线应变传感器。 该传感器由两个线圈和一个体声波传感器组成,体声波传感器包括传力结构和石英晶片,其可将被测表面的应变转化为可检测 的石英谐振频率偏移。 首先,建立了半椭圆接触模型,研究接触力、激励电压、接触元件形状对石英的影响,以提高传感器性能; 其次,设计了石英加载装置,实现石英表面微力加载研究;最后,搭建了无源无线应变传感系统,传输距离可达 5 cm,分辨率约 为 4. 2 Hz/ με,应变测量范围为 600 με,重复性实验显示 RSD 为 5. 47% 。 实验结果表明,该传感系统具有良好性能,在未来将与 无人机结合为大型结构应变测量提供有效的解决方案。     

非规则曲面件的多夹钳式柔性拉伸成形研究

应用多夹钳式拉形机具有高柔性化的特点,根据目标件确定毛坯形状,夹钳依据毛坯形状对其进行夹持,尝试柔性拉形中的非矩形毛坯夹持。针对某一非规则曲面件,分别建立矩形毛坯和梯形毛坯的拉形有限元模型,并进行拉形数值模拟,对比分析两种形状毛坯对成形结果的影响。模拟结果表明,梯形毛坯拉形件比矩形毛坯拉形件的应力、应变数值减小且分布均匀;减薄率更小。梯形毛坯更能够节省材料,提高材料利用率。在多夹钳式拉形机上对矩形毛坯和梯形毛坯进行拉形试验,验证模拟结果的正确性。通过数值模拟和拉形试验充分证明了多夹钳式拉形机能够对非矩形毛坯件夹持的可行性,拉形效果更好,可以为其他非规则曲面件拉形提供参考和借鉴,使拉形工艺在工业应用的领域得到进一步拓展,为新型拉形机的设计与开发奠定了基础。     

裂纹长度对纳米裂纹应变传感器灵敏度的影响

高灵敏度是纳米裂纹应变传感器相比传统的金属应变片最突出的特点,也是研究人员最关注的性能参数.裂纹长度对纳米裂纹应变传感器的灵敏度有很大影响,但相关研究鲜有报道.阐述了裂纹长度与纳米裂纹应变传感器灵敏度之间的关系,利用光刻工艺制作金属纳米裂纹的方法分别制作了裂纹长度为500μm和5000μm两种不同裂纹长度的纳米裂纹应变传感器,并通过材料试验机、数字万用表等设备组成的测试装置完成拉伸测试实验,探究了裂纹长度与传感器灵敏度的关系.结果表明,裂纹长度为5000μm的传感器量程为0～0.33％,满量程时的应变灵敏系数值为3933,裂纹长度为500μm的传感器量程为0～0.04％,满量程时的应变灵敏系数值为2100.然而,当这两种传感器承受的应变范围均为0～0.04％时,裂纹长度为500μm的传感器的应变灵敏系数大于裂纹长度为5000μm的传感器.因此,可以得出结论:裂纹长度越长,传感器量程越大,满量程时应变灵敏系数值越大,但是在相同的应变范围内短裂纹传感器的应变灵敏系数值更大.     

精密柔索传动天线座结构设计

通信技术向高频段、窄波束方向发展,对天线的指向精度提出了更高的要求。传动回差对天线的指向精度具有重要影响,为满足未来通讯技术的发展需求,文中研制了具有低空回特性的精密柔索传动天线座。基于柔索摩擦的欧拉公式推出了钢丝绳预紧力和天线座负载的关系,进而根据天线座负载力矩计算出钢丝绳的结构参数和预紧用碟形弹簧的结构参数。结构布局选用传统的俯仰–方位型座架,方位位于俯仰上方。张紧装置采用碟形弹簧从钢丝绳的端部进行预紧,可对多股存在长度误差的钢丝绳同时实现预紧。对原理样机的回差检测结果显示,该天线座具有明显的低空回特性,因此精密柔索传动在提升天线指向精度方面具有很大的应用潜力。     

Radiation characteristics of ring patch antennas with capacitive feed patch

Ring patch antennas have the characteristics of electrically small size as decreasing the width of the conducting portion compared to those of conventional patch antennas.In the ring patch antenna,using capacitive feed method is suitable for impedance matching.The effect of the size of the feed patch on the input impedance of the square ring patch antennas are analyzed and radiation patterns of the square ring patch antennas are compared to that of a square conventional patch antenna by the simulated results.     

高增益蓝牙天线的设计与应用

鉴于蓝牙mesh网络节点密集部署的问题和金属物质对蓝牙天线无线信号传输的影响,通过改变倒F天线辐射臂的形状来提升蓝牙天线的增益,从而达到蓝牙mesh网络节点远距离传输无线信号的目的,同时可以保证周围金属物质不会影响蓝牙无线信号的传输,减少信号的能量损失,实现蓝牙mesh网络节点的远距离部署。这两款蓝牙天线具有小型化、高增益、高带宽的特性,覆盖整个蓝牙通信的ISM频段,采用HFSS对蓝牙天线的特性进行仿真分析,得到优化后的蓝牙天线结构参数,并制作蓝牙天线实物进行试验测试。实验结果表明:折叠天线和螺旋天线的回波损耗均小于-10 dB,带宽完全覆盖蓝牙频段,而且螺旋天线的性能更优,增益达到4.6 dB,金属环境的最远传输距离为20 m。     

纸基RFID标签天线喷射打印化学反应沉积成形

针对目前射频识别(RFID)标签天线制备成本高、工艺复杂等问题,提出微滴按需喷射3D打印与化学沉积技术相结合制备半波偶极子天线的方法。利用构建的气动式双喷头微滴喷射系统,采用试验研究的方法,对系统按需喷射条件下产生硝酸银与抗坏血酸微滴的一致性以及基板运行速度对成线均匀性的影响进行研究,并对成形导线的电阻率进行测试;在此基础上设计、仿真和制备了半波偶极子天线,对其性能参数进行了测试。结果表明:系统产生的微滴均匀性较好;基板速度小于或等于0.5mm/s时,硝酸银成线边缘光滑度较好;成形导线的电导率为1.57×10~(-5)Ω·m;打印成形的半波偶极子天线谐振频率、谐振点回波损耗S_(11)参数等与仿真结果具有较好的一致性。为RFID标签天线提供了一种低成本制备方法。     

有源相控阵天线服役性能调控技术进展与挑战

有源相控阵天线广泛应用于地面防空、机载火控、弹载制导、空间通信、电子侦察、气象导航等领域,是未来雷达技术发展的主流。天线在服役过程中不可避免地会受到复杂环境载荷作用,使阵面产生难以预知的结构变形与馈电误差,导致阵元位置偏移、指向偏转、阵元间互耦改变等,最终严重恶化天线的电性能。为此,文中归纳了陆、海、空、天不同服役场景下的环境载荷因素,厘清了稳态载荷、瞬态载荷对天线性能的影响机理,总结了天线阵面形变与馈电系统误差监测方法,进一步从结构补偿、电子补偿两方面给出了天线性能调控关键技术,并探讨了有源相控阵天线服役性能调控未来的研究方向与挑战。     

Review of Large Spacecraft Deployable Membrane Antenna Structures

The demand for large antennas in future space missions has increasingly stimulated the development of deployable membrane antenna structures owing to their light weight and small stowage volume. However, there is little literature providing a comprehensive review and comparison of different membrane antenna structures. Space-borne membrane antenna structures are mainly classified as either parabolic or planar membrane antenna structures. For parabolic membrane antenna structures, there are five deploying and forming methods, including inflation, inflation-rigidization, elastic ribs driven, Shape Memory Polymer (SMP)-inflation, and electrostatic forming. The development and detailed comparison of these five methods are presented. Then, properties of membrane materials (including polyester film and polyimide film) for parabolic membrane antennas are compared. Additionally, for planar membrane antenna structures, frame shapes have changed from circular to rectangular, and different tensioning systems have emerged successively, including single Miura–Natori, double, and multi-layer tensioning systems. Recent advances in structural configurations, tensioning system design, and dynamic analysis for planar membrane antenna structures are investigated. Finally, future trends for large space membrane antenna structures are pointed out and technical problems are proposed, including design and analysis of membrane structures, materials and processes, membrane packing, surface accuracy stability, and test and verification technology. Through a review of large deployable membrane antenna structures, guidance for space membrane-antenna research and applications is provided.     

基于Bennett衍生机构的固面可展开天线设计

固面可展开天线因具有型面精度高和工作频带宽的优点,被广泛应用于无线通信、深空探测和军事侦察等领域。为提高固面可展开天线的收纳比、同步性和展开可靠性,文中基于Bennett衍生机构开展了固面可展开天线的设计研究。首先,提出了一种天线展开方案,设计了反射面划分参数化计算流程。其次,引入四元数将反射面的双正交旋转轴等效变换为单旋转轴,采用Bennett衍生机构驱动该旋转轴,实现固面天线的展开与收拢。该研究结论为固面可展开天线的设计提供了技术参考。     

介质透镜操控光电导天线辐射太赫兹波的研究

飞秒激光驱动的太赫兹 (terahertz, THz) 光电导天线是THz时域谱系统中常用的THz源,受全向辐射模式的影响,该光电导天线的天线主瓣小,方向性差。对波束的有效操控将有助于提高光电导天线的发射效率。以低温生长的砷化镓 (LT-GaAs) 作为天线基底材料,通过电磁仿真软件CST对蝶形天线辐射THz波的电磁分布特性进行仿真,研究了介质透镜对蝶形天线辐射出的THz波的操控。通过对透镜扩展厚度的理论与数值分析,得出一定频率下的最佳透镜扩展厚度值。仿真结果表明：随着频率的提高,蝶形天线在加载更小扩展厚度的硅透镜时可获得更好的方向性。     

不同端板条件下的圆柱涡激振动试验

以涡激振动海流能利用为工程背景,在流速范围为0~0.75m/s的自循环水槽中开展了直径为6cm的单自由度圆柱涡激振动试验研究,分析了5种不同形状端板、7种不同尺寸矩形端板条件下圆柱涡激振动的响应规律,提出了适用于能量利用的端板形状与合理尺寸。研究结果表明:5种端板中最有利于能量利用的为矩形端板,最不利的为无端板;矩形端板圆柱的振幅和频率为无端板圆柱的1.38倍与1.25倍;利于增强振动的矩形端板顺水流方向长度应控制在1.5~2倍圆柱直径范围内。