基于柔性材料的可共形MEMS天线研究

The research on conformal MEMS antennas based on flexible substrates was carried out to meet the conformal and ultra wideband (UWB) needs of UWB radio fuze. The mechanical model of MEMS antennas based on flexible substrates was established to get the mechanical and mechanical-electrical coupling characteristics. The methods to improve the bandwidth of conformal antennas were finally obtained. The main research contents mainly include: (1) Analysis of residual stress based on mathematical model of the complex structures of MEMS antennas affected by temperature variation and bending moment. (2) Study on radiation variation of flexible antennas and strain-radiation coupling characteristic of conical conformal antenna arrays. (3) Research on methods to improve low and high frequency characteristics of flexible antennas and expand the bandwidth of antenna arrays. The research has important theoretical value and practical significance in the improvement of analysis precision of conical conformal antenna arrays and the ways to expand the bandwidth of antennas applied for UWB fuze. The research also has a positive role in improving the operating distance of UWB fuze.

本项目针对超宽带无线电引信对天线微小型、超宽带、可共形的需求，开展基于柔性材料的可共形MEMS天线研究。本项目从柔性微带天线复合结构的力学模型出发，分析基于柔性衬底的MEMS微带天线力学、力-电耦合特性，最终得到弹载天线共形与频带展宽方法，研究内容如下：（1）建立工艺温度变化和外部弯矩同时作用下柔性天线复合结构力学分析的数学模型，分析天线的残余应力；(2)分析残余应力作用下，柔性天线单元的辐射特性变化规律，及圆锥共形可重构天线阵列的应变-电磁辐射耦合特性；(3) 研究柔性微带天线单元高、低频特性改善方法，分析天线阵列的频带展宽方法。本课题的研究对提高圆锥共形天线阵列的分析精度及展宽超宽带无线电引信天线的频带宽度方面具有重要的理论价值和实际意义，同时对于提高超宽带无线电引信的作用距离具有积极的推动作用。

本项目针对超宽带无线电引信对天线微小型、超宽带、可共形的需求，开展基于柔性材料的可共形MEMS天线研究。根据热弹性力学和弹性力学的基本理论，建立工艺温度变化和外部弯矩同时作用下柔性天线复合结构力学分析的数学模型， 对温度和弯矩载荷下液晶聚合物（LCP）基微带天线结构进行仿真，得到其应力和应变量，并将有限元分析结果和解析结果对比进行验证。对于LCP双面覆铜结构，提出了基于均质结构模型的弯曲弹塑性临界半径计算方法，通过单向拉伸试验得到LCP覆铜板力学性能参数，求出弹塑性临界半径为6.5mm。采用有限元分析方法对LCP双面覆铜结构弯曲弹塑性临界半径值进行验证。. 柔性MEMS阵列天线在形变状态下，天线贴片的电流分布发生变化，从而对天线的电磁辐射特性产生影响。采用有限元分析法分析不同弯曲曲率下，柔性天线单元的辐射特性变化规律。微带天线沿E面弯曲时，随着弯曲半径逐渐减小，微带天线谐振频率逐渐变大，回波损耗逐渐变大，带宽逐渐变窄，增益逐渐变小，效率逐渐变低。微带天线沿H面弯曲时，随着弯曲半径逐渐减小，微带天线谐振频率逐渐变小，回波损耗变小，带宽逐渐变大，增益变小，效率变高，对于圆锥共形天线阵列，先分析天线单元的阵中耦合方向图, 然后以叠加原理为基础分析计算天线阵列的主极化和交叉极化方向图，对阵列的方向图特性进行综合，提高圆锥阵列天线的分析精度。. 采用缺陷地结构(DGS)抑制天线的高次谐波，采用分形结构进一步减小天线的尺寸。将双MEMS开关对称加载于微带天线中，通过控制开关工作状态使其工作于多个频段，最终实现了工作频段分别为4.35-4.47GHz、7.38-7.57GHz、7.6-7.77GHz的频率可重构超宽带微带天线。. 本课题的研究对提高圆锥共形天线阵列的分析精度及展宽超宽带无线电引信天线的频带宽度方面具有重要的理论价值和实际意义，同时对于提高超宽带无线电引信的作用距离具有积极的推动作用。