共形承载微带天线阵面形貌对电性能影响的预测方法-山东亚星游戏官网机床有限公司

专利名称：共形承载微带天线阵面形貌对电性能影响的预测方法
技术领域：
本发明属于天线技术领域，具体涉及共形承载微带天线阵面形貌对电性能影响的预测方法，该方法可用于机载、弹载、车载和舰载等平台中的共形承载微带天线机电综合分析、设计以及补偿控制等领域。
背景技术：
共形承载微带天线是指将微带天线嵌入到武器平台的蒙皮结构中，在满足平台结构力学性能的前提下，还要实现较高的电磁性能，它可以应用到未来的各种海陆空武器装备如变体飞机、无人机、飞艇预警机、智能战车、隐身战舰等，是实现武器平台隐身化、多功能化、智能化和高机动性的关键技术。

图1给出了共形承载微带天线的组成示意图，它主要由上面板1、蜂窝2、微带天线电路板3和下面板4等组成。通过使用复合成型制造工艺，把微带天线埋入到平台结构中，其中，面板具有力学承载功能，蜂窝具有隔热防护功能，而微带天线电路板主要实现电磁福射功能。与传统天线对比，共形承载微带天线具有结构/电路的高度融合特点，降低了天线重量和空间占用率，实现了天线与结构的共形、轻量化和小型化的统一。另外，该类型天线既可以作为力学承载功能的平台结构，也可以作为发射和接收电磁波的微波装置，满足武器平台气动性能、电磁隐身和适装性能等需求。虽然这些特点带来了结构与功能的一体化优势，但是也导致了这种天线电性能的准确预测困难。特别地，由于这种天线是通过一体化热压复合成型工艺来制造的，在其制造过程中，不可避免地会引入一些加工误差、装配误差和残余热应力，这会导致微带天线阵面形貌相对期望阵面形貌发生了改变。除此之外，当武器平台快速机动时，平台结构会受到冲击振动、温度和气动等服役载荷的影响，这些服役载荷会引起结构变形，从而导致嵌入结构中的微带天线阵面形貌发生变化。由于微带天线对阵面形貌的影响非常敏感，阵面形貌的变化会影响服役中的天线电性能。目前，国内外一些科研机构已认识到共形承载微带天线结构和电性能之间的影响问题，并开展了一些相关研究，下面介绍国内外公开的研究情况。(I)早在上世纪90年代，为了实现天线与飞行器结构的共形，美国在世界上率先开展了相关的研究。如波音公司设计了与机翼共形的蒙皮天线，并研究了机翼在疲劳破坏过程中天线辐射性能的变化情况。NASA也研制了一种长航程无人机的机翼，其微带天线阵列、太阳能电池阵列与机翼结构完全融为一体。飞行实验表明了扭曲、摇摆诱发的阵面应力会对电性能产生影响。这些结果在文献“Lockyer A J1AltK H，Coughlin D P. et al. Design and development of a conformal load-bearingsmart-skin antenna:overview of the AFRL smart skin structures technologydemonstration (S3TD).1n:Proceedings of SPIE; 1999:410-424. ” 中有报导。虽然他们通过实验方法发现了机械应力对电性能的影响关系，然而却没有给出描述其关系的数学模型，也没有给出相关的电性能预测方法以指导设计。(2)韩国浦项科技大学的研究团队釆用层合粘接的方法将微带天线嵌入到复合结构中，从而做成共形承载天线。为了提高这种天线增益，Chisang You使用传输线理论研究了多层几何结构尺寸对天线电性能的影响关系，给出了提高天线增益的方法。该研究在文献“Chisang You, Manos M. Tentzeris, Woonbong H. Multilayer effects on microstripantennas for their integration with mechanical structures.1EEE Transactions onAntennas and Propagation. 2007，55 (4) : 1051-1058. ”有报道。除此之外，该团队的 Kim 也研究了天线阵面、蜂窝和面板之间的表面粘接情况对其力学和电性能的影响关系。该研究在文献 Kim D, You C，Hwang ff. Effect of adhesive bonds on electrical performancein mult1-layer composite antenna. Composite Structures. 2009,90(4) :413-417.有报道。尽管该团队对这种类型的天线进行了深入研究，然而，他们并没有研究服役和制造中的阵面形貌变化对天线电性能的影响关系。(3)国内的东华大学研制了一种基于三维正交机织复合材料的柔性共形天线。该研究通过纺织技术将微带天线嵌入到三维机织织物中。通过实验样件，他们研究了不同编织方式、复合材料、介质材料等对天线力电性能的影响关系。尽管这种天线具有柔性好和易与武器平台结构共形的特点，然而，它的力学承载性能比较差，特别是冲击载荷时，容易出现分层，塌陷等缺陷，导致整个天线功能失效。该研究在文献“Fujun Xu, Lan Yao, DaZhao,et al. Performance and impact damage of a three dimensionally integratedmicrostrip feeding antenna structure. Composite Structures. 2010，93 (I) : 193-197.，，有报道。(4)哈尔滨工业大学复合材料研究所研制了以环氧玻璃纤维板和聚四氟乙烯板为介质基板的埋微带天线叠层结构样件，并研究了不同介电参数和蜂窝夹层厚度对天线力电性能的影响规律。然而他们没有研究这种天线在服役环境和成型制造中的阵面形貌变化对天线电性能的影响规律。该研究在文献“戴�：椋豕隳�.埋微带天线蜂窝夹层结构的力电性能分析·复合材料学报，2011，28(2) :231-234. ”有报道。上面公开文献还存在以下不足1)上述文献虽然使用实验方法发现了机械应力、蜂窝、介质材料等因素会影响天线的力电性能，然而在理论方面缺乏阵面形貌对电性能影响的预测方法，导致在设计阶段不能预测制造和服役中的阵面形貌对电性能的影响程度。2)由于该类型天线具有集成度高、材料非均匀性和多学科性，现有技术通常使用实验样件凭经验的设计方法，导致了研制成本高、周期长和产品性能一致性差。

发明内容
本发明的目的在于针对共形承载微带天线电性能的影响问题，提供了一种阵面形貌变化对电性能影响的预测方法，以便分析制造和服役中的阵面形貌变化对电性能的影响程度，为该类型天线的机电集成分析、设计以及电性能补偿奠定理论基�。档脱兄瞥杀荆嵛殴闫沸阅芤恢滦浴Ｊ迪直痉⒚髂康牡募际跛悸肥牵ü负文Ｐ吞崛±硐胝竺嫘蚊玻梅中魏枋龀尚椭圃熘幸鸬恼竺嫘蚊参蟛睿枚嗪酥С窒蛄炕毓橹毓狗墼睾傻贾碌恼竺嫘蚊脖湫瘟浚谜庑┱竺嫘蚊脖浠啃拚硐胝竺嫘蚊玻玫娇悸侵圃旌头塾跋煜碌氖导收竺嫘蚊玻⒏荽苏竺嫘蚊玻扑闾煜叩牡缧阅埽竦谜竺嫘蚊捕缘缧阅艿挠跋斐潭�。具体步骤包括如下
(I)指定的设计指标d，设计共形承载微带天线结构的几何模型，并通过该模型提取理想情况下的阵面形貌高度StlU, y)，其中，X，y分别表示阵面轮廓横坐标和纵坐标；(2)根据设计指标确定阵面平面度Ra,利用Weierstrass-Mandelbrot分形函数构造一体化成型制造中由加工、装配和成型残余热应力引起的阵面形貌高度误差函数AS1U, y)
权利要求
1.一种共形承载微带天线阵面形貌对电性能影响的预测方法，包括如下步骤 (1)根据指定的设计指标d，设计共形承载微带天线结构的几何模型，并通过该模型提取理想情况下的阵面形貌高度StlU, y)，其中，x，y分别表示阵面轮廓横坐标和纵坐标； (2)根据阵面平面度Ra设计指标，利用Weierstrass-Mandelbrot分形函数构造一体化成型制造中由加工、装配和成型残余热应力引起的阵面形貌高度误差函数AS1Uy)
2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于所述步骤(I)的设计指标d，包括天线的中心频率、带宽、副瓣和增益以及结构强度、结构刚度和阵面平面度。
3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于步骤⑵所述的利用Weierstrass-Mandelbrot分形函数构造一体化成型制造中由加工、装配和成型残余热应力引起的阵面形貌高度误差函数AS1(Xj),按如下步骤进行 (3a)利用Weierstrass-Mandelbrot分形函数来描述成型制造后的实际阵面偏离理想阵面形貌的微观起伏程度
4.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于步骤(3)所述的“把共形承载微带天线的几何模型导入到有限元软件中，并施加气动载荷和温度载荷，获得服役载荷导致的阵面形貌变形数据集Z”，按如下步骤进行 (4a)根据初始设计的几何模型，利用Fluent软件建立其空气动力学分析模型，获得随时间t变化的气动载荷Fq(t)； (4b)利用热分析软件Flotherm,建立共形承载微带天线的热分析模型,获得夹层微带天线结构的时变温差载荷FAT(t)； (4c)把气动载荷Fq(t)和温度载荷FAT(t)施加到有限元模型中，得到在温度载荷和气动载荷影响下的结构动力学方程
5.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于步骤(4)所述的根据阵面形貌变形数据集Z进行三维重构，获得服役载荷导致的阵面形貌高度变形函数，按如下过程进行 (5a)将阵面形貌变形数据集Z={(Xi，yi，Azi),i = 1,2,...,N}进行归一化处理，得到归一化的数据； (5b)根据归一化的数据，使用5倍交叉验证方法确定多核支持向量回归算法中的核函数类型、核函数个数、核参数、折衷常数C和误差容限e ； (5c)根据步骤(5b)中预先指定的核函数类型、核函数个数、核参数、折衷常数C和误差容限e，使用线性规划求解下面的多核支持向量回归算法，获得未知参数U和松弛变fili
全文摘要
本发明公开了一种共形承载微带天线阵面形貌对电性能影响的预测方法，主要解决现有技术不能预测阵面形貌变化对电性能影响的问题。其实现步骤是(1)根据设计指标，建立几何模型，获得理想阵面形貌；(2)利用分形函数描述制造引起的阵面形貌误差，并施加气动和温度载荷到其力学模型中，获得阵面变形数据；(3)根据变形数据，利用多核支持向量回归重构服役载荷导致的阵面形貌变化量；(4)通过修正理想阵面形貌，得到实际阵面形貌；(5)根据实际阵面形貌，计算天线电性能，并根据提取的电性能指标修改天线结构以获得最优天线设计。本发明能够评估阵面形貌变化对电性能的影响程度，实现机电集成分析，缩短研制周期，降低研制成本。
文档编号G01B21/20GK102998540SQ20121040558
公开日2013年3月27日申请日期2012年10月22日优先权日2012年10月22日
发明者周金柱, 黄进, 宋立伟, 李鹏, 章丹, 郭东来申请人:西安电子科技大学

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共形承载微带天线阵面形貌对电性能影响的预测方法