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面向航天器表面静电放电检测的柔性天线传感器设计

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航天器环境工程 2023年第3期40卷 241-248页

作者：张国治余坤泉王海张晓星湖北工业大学电气与电子工程学院武汉430068 北京东方计量测试研究所北京100094

航天器在轨运行时其表面会与空间等离子体和高能电子相互作用而产生静电放电(ESD)效应,威胁航天器在轨安全。文章基于航天器静电放电产生的电磁脉冲信号频谱特性,设计一种柔性平面等角螺旋天线与阿基米德螺旋天线相结合的柔性天线传感器... 详细信息

航天器在轨运行时其表面会与空间等离子体和高能电子相互作用而产生静电放电(ESD)效应,威胁航天器在轨安全。文章基于航天器静电放电产生的电磁脉冲信号频谱特性,设计一种柔性平面等角螺旋天线与阿基米德螺旋天线相结合的柔性天线传感器,其电磁脉冲感知本体直径为144 mm,厚度为0.35 mm。ANSYS HFSS软件的仿真结果表明:在天线弯曲半径分别为0和150 mm条件下,在50 MHz~3 GHz频带,电压驻波比(VSWR)均小于2,说明天线辐射性良好。对柔性天线传感器的ESD检测性能进行实测,结果表明该柔性天线传感器在弯曲前后均能有效接收到电磁辐射脉冲信号。该研究可用于航天器静电放电检测,具有实际工程意义。

关键词：柔性天线航天器静电放电平面螺旋天线正弦加载小型化

基于矩量法与外推技术的柔性天线快速机电耦合算法研究

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基于矩量法与外推技术的柔性天线快速机电耦合算法研究

作者：王钊西安电子科技大学

学位级别：硕士

柔性天线是当前装备研究的热门领域,为天线在特种环境下的应用提供了更多可能性。与此同时,天线结构的柔性化也带来动态变形问题,进而导致电性能分析与补偿变得更加困难。传统的天线电性能动态分析方法需要选取大量瞬态样本进行数值仿真... 详细信息

柔性天线是当前装备研究的热门领域,为天线在特种环境下的应用提供了更多可能性。与此同时,天线结构的柔性化也带来动态变形问题,进而导致电性能分析与补偿变得更加困难。传统的天线电性能动态分析方法需要选取大量瞬态样本进行数值仿真,分析耗时长、效率低;且目前天线的电性能快速预测方法,均把天线单元等效为单个辐射点源,忽略了单元自身结构变形对电性能的影响。而对于天线这种高频无源器件,其电性能对结构尺寸的变化极其敏感,故用等效点源模型分析柔性天线会存在较大的误差。针对以上问题,本文以柔性微带贴片天线为具体研究对象,开展适用于柔性天线的动态变形下快速机电耦合算法研究,主要的研究工作如下:(1)提出了基于矩量法的柔性天线机电耦合全波分析方法。与传统方法相比,在阵元电性能层面采用数值计算替代点源等效,阵列辐射场层面采用场强矢量叠加替代解析式近似计算。以矩形空气微带天线为目标结构,对天线进行三角网格剖分,利用RWG基函数离散电场积分方程计算天线表面电流分布,利用偶极子等效法快速计算天线方向图,直观表征天线结构变形对面电流和辐射场的影响。通过并行技术优化矩阵计算方法,不仅提高了矩量法算法的求解能力,同时可得到各阵元辐射场强的数值结果,实现天线阵列准确电性能分析,为建立快速机电耦合算法奠定分析基础。(2)提出了基于矩量法与最佳一致有理逼近技术的柔性天线一维快速机电耦合算法。首先推导了一维梅利外推的计算过程,通过函数算例验证了外推算法的有效性。然后以动态弯曲变形为例,利用矩量法计算天线特定瞬态样本的电流,再利用外推算法快速计算动态变形过程中的电流数据,完成电性能动态分析。最后,利用并行技术对天线阵列快速机电耦合算法进行了优化,以保证在分析电大复杂结构时算法依旧保持高效性。相比传统瞬态逐点分析方法,本文所提算法用时缩短88%,提高了柔性天线动态变形下的电性能分析效率,实现了准确、快速的机电耦合分析。(3)提出了基于矩量法与多维外推理论的柔性天线多维快速机电耦合算法。为扩大算法分析范围,对一维快速机电耦合算法进行变量维度扩展。首先推导了二维及三维梅利外推公式,并通过算例验证了外推算法有效性。然后,结合矩量法与二维外推算法进行基板弯曲过程的扫频分析和动态双曲变形的电性能分析。最后,采用模态叠加法处理主模态振型,以模态坐标为扫参量,结合矩量法与三维外推算法进行自由振动下的翼载柔性天线阵电性能快速预测。与传统方法相比,本文多维快速机电耦合算法在保证计算精度的同时将分析时间缩短70%,显著提高了分析效率。本文所提电性能计算方法可作为柔性天线结构设计与电性能补偿的分析依据。

关键词：柔性天线动态变形机电耦合矩量法梅利逼近

新型GIS局部放电柔性内置阿基米德螺旋天线研究

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高压电器 2024年第1期60卷 15-24+40页

作者：张国治张硕张晓星陈康韩景琦刘健犇湖北工业大学新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司武汉大学动力与机械学院中国电力科学研究院有限公司电网环境保护国家重点实验室

针对气体绝缘组合电器（GIS）内置式特高频（UHF）传感器空间利用率低、尺寸较大并且可能破坏GIS内部电场分布的问题，文中设计了一种新型柔性内置阿基米德螺旋天线。利用振幅随幅角线性增加的正弦波加载方式对天线本体进行小型化处理... 详细信息

针对气体绝缘组合电器（GIS）内置式特高频（UHF）传感器空间利用率低、尺寸较大并且可能破坏GIS内部电场分布的问题，文中设计了一种新型柔性内置阿基米德螺旋天线。利用振幅随幅角线性增加的正弦波加载方式对天线本体进行小型化处理，使天线径向尺寸缩小57.8%，并对背馈巴伦进行曲折小型化，使巴伦长度减小56.4%。设计的柔性天线本体直径146 mm，厚度0.27 mm。有限元仿真和实物测试结果显示，柔性天线在弯曲半径为0、250、350 mm时，在720 MHz～3 GHz频段内驻波比VSWR≤5；在1.02～3 GHz频段内VSWR≤2；在工作频段内具有良好的全向辐射特性。搭建局部放电试验平台对天线性能进行分析，结果表明文中设计的柔性天线在弯曲形变前后均可检测到放电量20 pC以下的PD辐射电磁波信号。

关键词： GIS 局部放电柔性天线小型化曲折化巴伦

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柔性天线低频隔振器设计及动力学仿真分析

柔性天线低频隔振器设计及动力学仿真分析

作者：宋俊俊哈尔滨商业大学

学位级别：硕士

卫星在轨运行时,由于其所处环境十分复杂,当受到来自外界光压、温度、地球引力等的扰动时,会引起柔性天线的低频振动。同时,卫星本体内部的偏心轮以及调姿也会引起低频振动。为避免两者之间低频振动的相互耦合,需设计性能良好的低频隔... 详细信息

卫星在轨运行时,由于其所处环境十分复杂,当受到来自外界光压、温度、地球引力等的扰动时,会引起柔性天线的低频振动。同时,卫星本体内部的偏心轮以及调姿也会引起低频振动。为避免两者之间低频振动的相互耦合,需设计性能良好的低频隔振器来满足要求。金属弹簧隔振器虽具有较好的低频隔振特性,但因其阻尼小而不能很好的抑制共振峰;橡胶隔振器虽具有较大的阻尼迟滞的特性,但其低频隔振性能较差：本文研究一种由金属橡胶和弹簧组成的复合隔振器,解决柔性天性与卫星本体之间的双向低频隔振问题。首先通过建立金属橡胶和弹簧的力学模型,得出弹簧的变形与高径比关系曲线以及金属橡胶的本构方程,据此设计出隔振器的结构参数。基于Patran与Nastran软件平台,建立了金属橡胶弹簧隔振器的三维模型和有限元模型,分析了隔振器的各阶模态,得到了隔振器的前26阶固有频率及主振型。通过对隔振器施加白噪声激励产生的时域响应分析,验证了隔振器的可行性。然后利用Patran软件建立了包括卫星本体、金属橡胶弹簧隔振器、柔性天线及索网、太阳能帆板的整星多体三维模型和动力学模型。基于MSC.Nastran软件分析了整星的各阶模态,得到了整星系统的前90阶固有频率和主振型。通过在X、Y、Z三方向施加单位脉冲激励,仿真分析了有隔振器连接和无隔振器刚性连接时柔性天线顶端节点的时域响应以及整星系统的频率响应。计算了柔性天线顶端节点在三个方向的隔振率,结果表明：隔振器对2.344Hz、3.32Hz、4Hz、6.6Hz四个共振频率均有良好的隔振性能。其中,z向的隔振效果最好,其振动传递率与无隔振器刚性连接比较,分别减小了65%、86.53%、62.5%(2.344Hz),99.91%、99.56%、99.93%(3.32Hz),85.12%、89.27%、89.13%(4Hz),90.72%、93.17%、30.83%(6.6Hz)。x向次之,振动传递率分别减小了11.48%、66.73%、0.078%(2.344Hz),66.88%、99.41%、99.32%(3.32Hz)、56.55%、66.47%、65.54%(4Hz),79.29%、94.55%、94.07%(6.6Hz)。y向隔振效果稍差,并在2.344Hz和4Hz时出现振动传递率增大的现象,其原因在于y向与太阳帆板方向垂直,在振动过程中受到太阳帆板振动的影响较大,但其最大振动峰值为0.52,与激励峰值1.00比较仍有较大衰减,因此,所设计隔振器整体隔振效果良好。

关键词：柔性天线低频隔振器参数设计多体动力学仿真

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基于PDMS材料的柔性双频天线的研究

南开大学学报（自然科学版） 2018年第6期51卷 13-17页

作者：张明振金杰常宇慧王舒天津大学电气自动化与信息工程学院天津300072

设计了一款应用于可穿戴设备和柔性电子设备中的双频柔性天线.该天线采用了PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲硅氧烷)柔性材料作为介质基板,具备可弯曲特性.引入H形辐射贴片,使天线具备双频特性.贴片底部的梯形结构设计,拓宽了工作带宽... 详细信息

设计了一款应用于可穿戴设备和柔性电子设备中的双频柔性天线.该天线采用了PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲硅氧烷)柔性材料作为介质基板,具备可弯曲特性.引入H形辐射贴片,使天线具备双频特性.贴片底部的梯形结构设计,拓宽了工作带宽并降低了带宽内回波损耗.天线以铜作为辐射贴片和接地板材料,天线的整体尺寸为24 mm×38 mm×2 mm.利用仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator,高频结构仿真)对天线进行仿真和参数优化,结果表明:天线在2.32-2.5 GHz和3.2-4.8 GHz两个频段具有低于-10 dB的回波损耗,覆盖了WLAN网路A波段(2.4-2.483 5 GHz)和卫星通信网络C波段(3.7-4.2 GHz);在一定弯曲范围内,天线可保持正常工作特性.

关键词：双频天线柔性天线 PDMS H形贴片

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用于5G毫米波波段通信的倒梯形柔性天线

微纳电子技术 2020年第11期57卷 889-893页

作者：张众贺张斌珍段俊萍刘瑞中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室大原030051

设计了一款用于5G毫米波波段通信的柔性天线,其具有结构紧凑、质量轻、机械性能好、可共形的特点。该天线以柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底、以金属铜作为接地板和辐射贴片的材料,利用有限元电磁仿真软件ANSYS HFSS对天线进行了仿... 详细信息

设计了一款用于5G毫米波波段通信的柔性天线,其具有结构紧凑、质量轻、机械性能好、可共形的特点。该天线以柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底、以金属铜作为接地板和辐射贴片的材料,利用有限元电磁仿真软件ANSYS HFSS对天线进行了仿真和优化,设计了倒梯形辐射贴片和对称结构的矩形金属地。为了简化工艺步骤、降低工艺成本,采用了共面波导(CPW)进行馈电,并基于微电子机械系统(MEMS)工艺进行基板改性处理和磁控溅射。仿真结果表明,在26 GHz时回波损耗为-50.58 dB,电压驻波比低于2,有良好的阻抗匹配特性和稳定的远场辐射模式。在弯曲和未弯曲条件下进行了测试,测试的频点为25.7 GHz,回波损耗为-39 dB。测试结果与仿真结果基本一致,说明该柔性天线有良好的共形能力,且工作频点和性能都符合要求,这使其适用于现代柔性电子系统集成。

关键词： 5G 柔性天线共面波导(CPW) 聚二甲基硅氧烷(PDMS) 微电子机械系统(MEMS)

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可穿戴柔性MIMO天线研究综述

可穿戴柔性MIMO天线研究综述

2023年全国微波毫米波会议

作者：李豪王瑞瑞邓屹宽刘柱湖南师范大学物理与电子科学学院湖南大学电气与信息工程学院

在目前频带资源有限但高速数据需求无限增长的现实条件下,MIMO技术以其特有优点成为目前研究热点之一。同时随着互联网的普及和高速发展,无线体域网的概念在生活中不断显现,因此可穿戴设备在医疗健康、运动健身、智能设备、军事等诸多... 详细信息

在目前频带资源有限但高速数据需求无限增长的现实条件下,MIMO技术以其特有优点成为目前研究热点之一。同时随着互联网的普及和高速发展,无线体域网的概念在生活中不断显现,因此可穿戴设备在医疗健康、运动健身、智能设备、军事等诸多领域的发展备受瞩目。文章论述了可穿戴柔性MIMO天线在不同领域的应用和设计要求,并对其未来发展趋势做了分析。

关键词：可穿戴天线多输入多输出柔性天线宽带

来源： cnki会议评论

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小型柔性天线设计

小型柔性天线设计

作者：丁宇星青岛大学

学位级别：硕士

目前,柔性电路、柔性传感器、柔性芯片等柔性电子在可穿戴设备、可植入医疗设备、软体机器人、星载设备等领域有很好的应用前景。天线作为无线通信的重要部件,如果采用柔性衬底材料制备则形成柔性天线。柔性天线与其它柔性电子器件能够... 详细信息

目前,柔性电路、柔性传感器、柔性芯片等柔性电子在可穿戴设备、可植入医疗设备、软体机器人、星载设备等领域有很好的应用前景。天线作为无线通信的重要部件,如果采用柔性衬底材料制备则形成柔性天线。柔性天线与其它柔性电子器件能够很好的集成在一起,实现设备的小型化、轻便化、柔性、可折叠性。由于柔性天线的衬底材料很薄,天线设计过程中需要解决带宽、增益、方向性等问题。本文分别针对小型超宽带(Ultra wideband,UWB)终端系统、卫星互联网终端系统以及5G终端系统设计了三款柔性天线:(1)针对小型UWB终端,设计了一款共面波导结构的UWB天线,采用0.02mm厚的聚酰亚胺作为衬底。天线的地含有矩形与圆形组合的缝隙,天线面积为32×25mm,测试带宽为2.41-10.66GHz。与目前已有的柔性UWB天线相比,本设计天线具有尺寸小、厚度薄、带宽宽的特性。(2)针对卫星互联网终端,设计了工作在12GHz频段的微带阵列天线,天线单元为正方形贴片,通过先串联后并联方式,分别设计了2×3和2×5阵列天线,天线衬底为0.06mm厚的聚酰亚胺。其中2×3阵列天线的面积为41.3×16.2mm,测试带宽为11.84-12.48GHz;2×5阵列天线的面积为64×16.2mm,测试带宽为11.73-12.56GHz,天线方向图具有指向性。文中还对阵列天线的方向图的指向性进行了分析,指出对于1×n阵列,在第n个谐振处方向图具有指向性,对于2×n阵列,在第2n个谐振处方向图具有指向性。(3)针对5G通信终端,设计了工作在24GHz的阵列天线,天线单元为正方形微带贴片天线,阵列由八个单元串联形成环形结构,通过一分二功分器对阵列馈电,天线衬底为0.06mm厚的聚酰亚胺。天线初始设计的工作频带为12GHz,进而通过缩比模型法,将天线尺寸缩小二分之一,并优化天线尺寸将工作频率调整到24GHz,天线面积25×28mm,测试带宽为23.7-24.6GHz,与目前已有的24GHz柔性阵列天线相比,本文天线使用的衬底更薄。

关键词：柔性天线 5G天线 UWB天线卫星天线

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基于半圆分形的柔性超宽带天线

传感器与微系统 2024年第6期43卷 69-72页

作者：王树奇王珊西安科技大学通信与信息工程学院陕西西安710054

以柔性材料聚酰亚胺(PI)作为介质基板材料,设计了一种柔性超宽带(UWB)半圆分形天线。天线辐射单元采用四阶半圆迭代嵌套分形结构,通过不同分形半圆调节电长度,增加天线的工作谐振点。通过在接地板开槽提高天线的阻抗匹配特性,实现UWB辐... 详细信息

以柔性材料聚酰亚胺(PI)作为介质基板材料,设计了一种柔性超宽带(UWB)半圆分形天线。天线辐射单元采用四阶半圆迭代嵌套分形结构,通过不同分形半圆调节电长度,增加天线的工作谐振点。通过在接地板开槽提高天线的阻抗匹配特性,实现UWB辐射。利用共面波导馈电方式提高天线的集成性。仿真与测试结果表明:所设计天线的阻抗带宽为2.98-10.61 GHz,带内全向增益达到5.58 dBi,天线最终尺寸为30 mm×24 mm,实现了小型化和可弯曲的特性,在共形于13 mm半径的圆柱后,天线仍能保持UWB辐射性能。

关键词：柔性天线超宽带分形天线小型化