碳纖維為導電材料，在一定的頻率范圍內，其自身能夠完成天線的電磁波反射和接受功能，尤其是需要指出的是，隨著碳纖維石墨化程度的提高，碳纖維導電性能也顯著增加，高模量碳纖維在導電性能上基本接近金屬的導電性能。因此，高模量碳纖維制做復合材料天線完全可以滿足衛星天線電性能指標。

 

 

 

　　天線是任何衛星都不可缺少的星載設備，它一般均安裝于衛星外表面，當觀察一顆衛星時，天線往往是容易看到的部分，不同用途的衛星通常需要不同用途的天線，即便同一顆衛星，為了完成不同的功能要求，往往需要多種天線，如美國ACTS衛星（下圖所示）上包含著各種用途的反射天線、接收天線、遙控天線和 C 波段全向天線等。

 

　　▲ 美國ACTS衛星

 

　　衛星天線反射器按結構分為拋物面反射器和喇叭反射器。對于衛星上大型拋物面天線要求具有高精度的外形，在溫度急劇變化的空間環境中仍然能夠保持穩定的外形，這就需要采用線膨脹系數極小的材料，即具有較好的熱穩定性。碳纖維熱膨脹系數低，并且隨著纖維拉伸模量的增加，纖維熱膨脹系數會出現負值。

 

　　基于低膨脹的性能特點，在天線成型過程中通過復合材料內碳纖維鋪層設計，可以使天線在成型過程和實際工作環境中做到“零膨脹”。對于工作在熱交變劇烈的太空環境中的星載天線，采用這種“零膨脹”系數材料來使其結構和型面精度保持穩定是非常有效的。

 

 

　　與此同時，高模量碳纖維具有優異導電性，在一定的頻率范圍內能夠完成天線電磁波的發射或接收，并能承受一定的功率。因此用高模量碳纖維復合材料制作的天線不僅能保證天線的電性能，而且兼具輕質高強、高抗沖擊振動能力特點，能承受高低溫循環、熱真空等嚴酷的環境試驗的考核，使其成為星載天線的選材料。
 

 

　　1、高模量碳纖維復合材料天線性能：

 

　　（1）高模量碳纖維復合材料天線的質量比鋁合金天線降低50%，機械性能優于鋁合金天線；

 

　?。?）高模量碳纖維復合材料天線的電性能達到或接近鋁合金天線的技術指標；

 

　　（3）高模量碳纖維復合材料天線能夠承受振動 、加速度 、沖擊 、高低溫循環 、熱真空等環境試驗的技術指標；

 

　?。?）高模量碳纖維復合材料天線熱膨脹系數小，在太空晝夜溫差較大環境中可實現零變形，保證天線高精度。

 

　　日本東麗M60J 級碳纖維拉伸模量較高達到588GPa，但是拉伸強度僅為3.82GPa；T700級碳纖維的拉伸強度較高達到4.90GPa，但是模量僅為230GPa，所以選取M60J來制作復合材料天線內表面導電層，選取T700做為天線的增強層。

 

　　在提高天線的可靠性方面，采取喇叭體、安裝法蘭和脊體整體鋪層連接，鋪層方式按[0°/90°] 正交鋪設，成型方式采取熱壓罐成型，制備成復合材料天線與鋁合金天線對比如下表1所示。相比較鋁合金材料，碳纖維復合材料在減重60%基礎上，各項力學性能均優于鋁合金。
 

 

▼ 表1 鋁合金和碳纖維復合材料性能對比

 

　　衛星天線在電性能方面有兩個重要的技術指標：一是電壓駐波比（VSWR），另外一個是天線增益。

 

　　天線的駐波比指的是反射功率與輸入功率之比，駐波越小越好； 天線的增益指的是在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號功率密度之比，它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度，一般情況下增益越高越好。

 

　　從表2不同材質電壓駐波比可以看出，M40J、M55J、M60J碳纖維拉伸模量分別為377GPa、540GPa、588GPa，碳纖維拉伸模量越高，天線駐波比越低。研究表明，碳纖維復合材料天線增益也與的碳纖維模量密切相關，碳纖維的模量越高， 天線增益越高，終天線的電性能也越好。

 

　　▼ 表2 不同材質天線的電壓駐波比

 

 

 

　　在上世紀70年代初期，纖維增強復合材料用于制造航天器天線，纖維增強復合材料在國際通信衛星5號上用得多 , 包括天線 、天線饋源 、波導 、天線支架、多路調節器等300多個，由于當時MJ系列碳纖維尚未研發成功，因此多以凱夫拉纖維、中模碳纖維復合材料為主。如表3中RCA通信衛星也部分采用了凱夫拉纖維。

 

　　▼ 表3 碳纖維復合材料在國外衛星天線上應用

　　隨后，由于高性能碳纖維不斷優化，尤其是兼具高強度高模量MJ系列碳纖維研發成功，衛星天線用復合材料增強纖維逐漸從從凱夫拉纖維、中模碳纖維轉變成了高模碳纖維，目前幾乎所有衛星天線均采用了高模量碳纖維。