專利名稱：共形承載微帶天線陣面形貌對電性能影響的預測方法
技術領域：
本發(fā)明屬于天線技術領域，具體涉及共形承載微帶天線陣面形貌對電性能影響的預測方法，該方法可用于機載、彈載、車載和艦載等平臺中的共形承載微帶天線機電綜合分析、設計以及補償控制等領域。
背景技術：
共形承載微帶天線是指將微帶天線嵌入到武器平臺的蒙皮結構中，在滿足平臺結構力學性能的前提下，還要實現(xiàn)較高的電磁性能，它可以應用到未來的各種海陸空武器裝備如變體飛機、無人機、飛艇預警機、智能戰(zhàn)車、隱身戰(zhàn)艦等，是實現(xiàn)武器平臺隱身化、多功能化、智能化和高機動性的關鍵技術。

圖1給出了共形承載微帶天線的組成示意圖，它主要由上面板1、蜂窩2、微帶天線電路板3和下面板4等組成。通過使用復合成型制造工藝，把微帶天線埋入到平臺結構中，其中，面板具有力學承載功能，蜂窩具有隔熱防護功能，而微帶天線電路板主要實現(xiàn)電磁福射功能。與傳統(tǒng)天線對比，共形承載微帶天線具有結構/電路的高度融合特點，降低了天線重量和空間占用率，實現(xiàn)了天線與結構的共形、輕量化和小型化的統(tǒng)一。另外，該類型天線既可以作為力學承載功能的平臺結構，也可以作為發(fā)射和接收電磁波的微波裝置，滿足武器平臺氣動性能、電磁隱身和適裝性能等需求。雖然這些特點帶來了結構與功能的一體化優(yōu)勢，但是也導致了這種天線電性能的準確預測困難。特別地，由于這種天線是通過一體化熱壓復合成型工藝來制造的，在其制造過程中，不可避免地會引入一些加工誤差、裝配誤差和殘余熱應力，這會導致微帶天線陣面形貌相對期望陣面形貌發(fā)生了改變。除此之外，當武器平臺快速機動時，平臺結構會受到?jīng)_擊振動、溫度和氣動等服役載荷的影響，這些服役載荷會引起結構變形，從而導致嵌入結構中的微帶天線陣面形貌發(fā)生變化。由于微帶天線對陣面形貌的影響非常敏感，陣面形貌的變化會影響服役中的天線電性能。目前，國內(nèi)外一些科研機構已認識到共形承載微帶天線結構和電性能之間的影響問題，并開展了一些相關研究，下面介紹國內(nèi)外公開的研究情況。(I)早在上世紀90年代，為了實現(xiàn)天線與飛行器結構的共形，美國在世界上率先開展了相關的研究。如波音公司設計了與機翼共形的蒙皮天線，并研究了機翼在疲勞破壞過程中天線輻射性能的變化情況。NASA也研制了一種長航程無人機的機翼，其微帶天線陣列、太陽能電池陣列與機翼結構完全融為一體。飛行實驗表明了扭曲、搖擺誘發(fā)的陣面應力會對電性能產(chǎn)生影響。這些結果在文獻“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. ” 中有報導。雖然他們通過實驗方法發(fā)現(xiàn)了機械應力對電性能的影響關系，然而卻沒有給出描述其關系的數(shù)學模型，也沒有給出相關的電性能預測方法以指導設計。(2)韓國浦項科技大學的研究團隊釆用層合粘接的方法將微帶天線嵌入到復合結構中，從而做成共形承載天線。為了提高這種天線增益，Chisang You使用傳輸線理論研究了多層幾何結構尺寸對天線電性能的影響關系，給出了提高天線增益的方法。該研究在文獻“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. ”有報道。除此之外，該團隊的 Kim 也研究了天線陣面、蜂窩和面板之間的表面粘接情況對其力學和電性能的影響關系。該研究在文獻 Kim D, You C，Hwang ff. Effect of adhesive bonds on electrical performancein mult1-layer composite antenna. Composite Structures. 2009,90(4) :413-417.有報道。盡管該團隊對這種類型的天線進行了深入研究，然而，他們并沒有研究服役和制造中的陣面形貌變化對天線電性能的影響關系。(3)國內(nèi)的東華大學研制了一種基于三維正交機織復合材料的柔性共形天線。該研究通過紡織技術將微帶天線嵌入到三維機織織物中。通過實驗樣件，他們研究了不同編織方式、復合材料、介質(zhì)材料等對天線力電性能的影響關系。盡管這種天線具有柔性好和易與武器平臺結構共形的特點，然而，它的力學承載性能比較差，特別是沖擊載荷時，容易出現(xiàn)分層，塌陷等缺陷，導致整個天線功能失效。該研究在文獻“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.，，有報道。(4)哈爾濱工業(yè)大學復合材料研究所研制了以環(huán)氧玻璃纖維板和聚四氟乙烯板為介質(zhì)基板的埋微帶天線疊層結構樣件，并研究了不同介電參數(shù)和蜂窩夾層厚度對天線力電性能的影響規(guī)律。然而他們沒有研究這種天線在服役環(huán)境和成型制造中的陣面形貌變化對天線電性能的影響規(guī)律。該研究在文獻“戴福洪，王廣寧.埋微帶天線蜂窩夾層結構的力電性能分析·復合材料學報，2011，28(2) :231-234. ”有報道。上面公開文獻還存在以下不足1)上述文獻雖然使用實驗方法發(fā)現(xiàn)了機械應力、蜂窩、介質(zhì)材料等因素會影響天線的力電性能，然而在理論方面缺乏陣面形貌對電性能影響的預測方法，導致在設計階段不能預測制造和服役中的陣面形貌對電性能的影響程度。2)由于該類型天線具有集成度高、材料非均勻性和多學科性，現(xiàn)有技術通常使用實驗樣件憑經(jīng)驗的設計方法，導致了研制成本高、周期長和產(chǎn)品性能一致性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對共形承載微帶天線電性能的影響問題，提供了一種陣面形貌變化對電性能影響的預測方法，以便分析制造和服役中的陣面形貌變化對電性能的影響程度，為該類型天線的機電集成分析、設計以及電性能補償?shù)於ɡ碚摶A，降低研制成本，提聞廣品性能一致性。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術思路是，通過幾何模型提取理想陣面形貌，利用分形函數(shù)描述成型制造中引起的陣面形貌誤差，利用多核支持向量回歸重構服役載荷導致的陣面形貌變形量，利用這些陣面形貌變化量修正理想陣面形貌，得到考慮制造和服役影響下的實際陣面形貌，并根據(jù)此陣面形貌，計算天線的電性能，獲得陣面形貌對電性能的影響程度。具體步驟包括如下
(I)指定的設計指標d，設計共形承載微帶天線結構的幾何模型，并通過該模型提取理想情況下的陣面形貌高度StlU, y)，其中，X，y分別表示陣面輪廓橫坐標和縱坐標；(2)根據(jù)設計指標確定陣面平面度Ra,利用Weierstrass-Mandelbrot分形函數(shù)構造一體化成型制造中由加工、裝配和成型殘余熱應力引起的陣面形貌高度誤差函數(shù)AS1U, y)
權利要求
1.一種共形承載微帶天線陣面形貌對電性能影響的預測方法，包括如下步驟 (1)根據(jù)指定的設計指標d，設計共形承載微帶天線結構的幾何模型，并通過該模型提取理想情況下的陣面形貌高度StlU, y)，其中，x，y分別表示陣面輪廓橫坐標和縱坐標； (2)根據(jù)陣面平面度Ra設計指標，利用Weierstrass-Mandelbrot分形函數(shù)構造一體化成型制造中由加工、裝配和成型殘余熱應力引起的陣面形貌高度誤差函數(shù)AS1Uy)
2.根據(jù)權利要求1所述的預測方法，其特征在于所述步驟(I)的設計指標d，包括天線的中心頻率、帶寬、副瓣和增益以及結構強度、結構剛度和陣面平面度。
3.根據(jù)權利要求1所述的預測方法，其特征在于步驟⑵所述的利用Weierstrass-Mandelbrot分形函數(shù)構造一體化成型制造中由加工、裝配和成型殘余熱應力引起的陣面形貌高度誤差函數(shù)AS1(Xj),按如下步驟進行 (3a)利用Weierstrass-Mandelbrot分形函數(shù)來描述成型制造后的實際陣面偏離理想陣面形貌的微觀起伏程度
4.根據(jù)權利要求1所述的預測方法，其特征在于步驟(3)所述的“把共形承載微帶天線的幾何模型導入到有限元軟件中，并施加氣動載荷和溫度載荷，獲得服役載荷導致的陣面形貌變形數(shù)據(jù)集Z”，按如下步驟進行 (4a)根據(jù)初始設計的幾何模型，利用Fluent軟件建立其空氣動力學分析模型，獲得隨時間t變化的氣動載荷Fq(t)； (4b)利用熱分析軟件Flotherm,建立共形承載微帶天線的熱分析模型,獲得夾層微帶天線結構的時變溫差載荷FAT(t)； (4c)把氣動載荷Fq(t)和溫度載荷FAT(t)施加到有限元模型中，得到在溫度載荷和氣動載荷影響下的結構動力學方程
5.根據(jù)權利要求1所述的預測方法，其特征在于步驟(4)所述的根據(jù)陣面形貌變形數(shù)據(jù)集Z進行三維重構，獲得服役載荷導致的陣面形貌高度變形函數(shù)，按如下過程進行 (5a)將陣面形貌變形數(shù)據(jù)集Z={(Xi，yi，Azi),i = 1,2,...,N}進行歸一化處理，得到歸一化的數(shù)據(jù)； (5b)根據(jù)歸一化的數(shù)據(jù)，使用5倍交叉驗證方法確定多核支持向量回歸算法中的核函數(shù)類型、核函數(shù)個數(shù)、核參數(shù)、折衷常數(shù)C和誤差容限e ； (5c)根據(jù)步驟(5b)中預先指定的核函數(shù)類型、核函數(shù)個數(shù)、核參數(shù)、折衷常數(shù)C和誤差容限e，使用線性規(guī)劃求解下面的多核支持向量回歸算法，獲得未知參數(shù)U和松弛變fili
全文摘要
本發(fā)明公開了一種共形承載微帶天線陣面形貌對電性能影響的預測方法，主要解決現(xiàn)有技術不能預測陣面形貌變化對電性能影響的問題。其實現(xiàn)步驟是(1)根據(jù)設計指標，建立幾何模型，獲得理想陣面形貌；(2)利用分形函數(shù)描述制造引起的陣面形貌誤差，并施加氣動和溫度載荷到其力學模型中，獲得陣面變形數(shù)據(jù)；(3)根據(jù)變形數(shù)據(jù)，利用多核支持向量回歸重構服役載荷導致的陣面形貌變化量；(4)通過修正理想陣面形貌，得到實際陣面形貌；(5)根據(jù)實際陣面形貌，計算天線電性能，并根據(jù)提取的電性能指標修改天線結構以獲得最優(yōu)天線設計。本發(fā)明能夠評估陣面形貌變化對電性能的影響程度，實現(xiàn)機電集成分析，縮短研制周期，降低研制成本。
文檔編號G01B21/20GK102998540SQ20121040558
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權日2012年10月22日
發(fā)明者周金柱, 黃進, 宋立偉, 李鵬, 章丹, 郭東來 申請人:西安電子科技大學