信息时代的发展对天线设备更新换代提出了新的要求,天线设备的质轻化、稳定、智能化成为人们关注焦点。相比传统的铜质、铝质等金属材料,新型导电材料碳纤维凭借其高强高模、低密度、耐腐蚀、抗高温、耐低温等优点广受国内外学者的亲睐,基于碳纤增强复合材料在天线领域的应用研究推广开来。将碳纤维复合纱、镀镍碳纤维复合纱导电材料替代传统高密度的金属材料,不仅能够实现天线的轻量化、而且可以提高天线在严苛环境下的工作稳定性,顺应了天线稳定、轻质化的发展趋势。本文通过对碳纤维、镀镍碳纤维涂层工艺处理,利用三维织造技术,嵌入三维间隔织物结构中构成三维织物结构微带天线。首先,将导电纱线进行涂层并研究其电学性能,然后设计并确定了三维间隔织物、传输线、微带天线的参数结构,优化了基于碳纤维的三维织物微带天线的织造工艺,最后,通过仿真模拟和实验的方法、测试分析了微带天线的电磁学性能。主要研究结果包括:(1)为了尽量避免织造过程中对碳纤维的磨损和天线结构的短路,对碳纤维和镀镍碳纤维进行了聚合物的涂层处理。本文使用柔性树脂聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷对碳纤维束、镀镍碳纤维束进行涂层处理,并对复合纱进行电学性能测试分析,测得3%聚乙烯醇/镀镍碳纤维(3%PVA/Ni-Coated CF)、3%聚乙烯醇/碳纤维(3%PVA CF)、聚二甲基硅氧烷/镀镍碳纤维(PDMS/Ni-Coated CF)纱线电导率分别为2.0×10~4/m、7.4×10~3s/m、1.5×10~3s/m。并将上述三种复合纱线作为导电材料用于后续微带传输线、微带天线的织造。为了减少碳纤维之间的摩擦,选择了适中的经纬纱密度:经纱密度50根/10cm,纬纱密度100根/10cm,织物密度为0.48g/cm~3。选用具有优良介电性能的环氧树脂(介电常数为4.0),并采用手糊法,制得三维机织间隔结构复合材料。根据双面覆铜板法理论,使用PNA3766矢量网络分析仪测试得到介质基板的介电常数为1.68,介电损耗tanδ为0.008。(2)为了验证碳纤维织物结构的传输损耗和天线的电磁学性能,使用HFSS、Txline2003软件构建微带传输线仿真模型,扫频模拟传输线的插入损耗(S21)。利用三维织造技术及手糊成型工艺制备微带传输线,使用PNA3766矢量网络分析仪测试各个传输线的S21,相比模拟结果(S21均小于-0.1dB/cm),微带传输线实测S21(-0.5dB/cm左右)略有增加,但能够满足传输线的工作标准。使用HFSS仿真软件,建立微带天线模型并进行仿真模拟。仿真结果中,各微带天线的谐振频率均达到设计所要求的2.45GHz,且回波损耗均在-10dB以下,E面和H面方向性显著且基本一致,增益均在6dB以上,达到天线工作要求。(3)制备微带天线,并测试分析各个微带天线的电磁学性能。实测结果表明,各微带天线的谐振频率均接近2.45GHz,回波损耗小于-10dB,方向性显著,主瓣大于后瓣,旁瓣相对主瓣较窄,满足天线工作要求。当纱线导电性能下降,微带天线增益和效率降低,传输信号变弱,以三维机织间隔结构复合材料作为介质基板具有优良的介电性能,在一定程度上有效弥补了低电导率引起的电磁学性能衰减缺陷,同时又解决了层合天线易分层的问题。3%PVA/Ni-Coated CF微带天线,3%PVA CF微带天线增益分别为2.97dB、2.43dB,相比铜丝微带天线,3%PVA/Ni-Coated CF微带天线的密度下降了28.2%,在保证天线正常工作的前提下,提高了天线的通讯稳定性,并实现轻量化,顺应了天线稳定、轻质化的发展潮流。