本發明專利技術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。其實現步驟是：（1）根據設計指標，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，獲得陣面變形數據；（3）根據變形數據，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）根據實際陣面形貌，計算天線電性能，并根據提取的電性能指標修改天線結構以獲得最優天線設計。本發明專利技術能夠評估陣面形貌變化對電性能的影響程度，實現機電集成分析，縮短研制周期，降低研制成本。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于天線
，具體涉及，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。
技術介紹
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、智能戰車、隱身戰艦等，是實現武器平臺隱身化、多功能化、智能化和高機動性的關鍵技術。附圖說明圖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電磁福射功能。與傳統天線對比，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，實現了天線與結構的共形、輕量化和小型化的統一。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，平臺結構會受到沖擊振動、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，下面介紹國內外公開的研究情況。(I)早在上世紀90年代，為了實現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、搖擺誘發的陣面應力會對電性能產生影響。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現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)哈爾濱工業大學復合材料研究所研制了以環氧玻璃纖維板和聚四氟乙烯板為介質基板的埋微帶天線疊層結構樣件，并研究了不同介電參數和蜂窩夾層厚度對天線力電性能的影響規律。然而他們沒有研究這種天線在服役環境和成型制造中的陣面形貌變化對天線電性能的影響規律。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現了機械應力、蜂窩、介質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，現有技術通常使用實驗樣件憑經驗的設計方法，導致了研制成本高、周期長和產品性能一致性差。
技術實現思路
本專利技術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奠定理論基礎，降低研制成本，提聞廣品性能一致性。實現本專利技術目的的技術思路是，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)根據設計指標確定陣面平面度Ra,利用Weierstrass-Ma本文檔來自技高網...
【技術保護點】
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S0(x,y)，其中，x,y分別表示陣面輪廓橫坐標和縱坐標；(2)根據陣面平面度Ra設計指標，利用Weierstrass?Mandelbrot分形函數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ΔS1(x,y)：ΔS1(x,y)=Raz(x,y)max(z(x,y))式中，z(x,y)是指利用Weierstrass?Mandelbrot分形函數描述的實際陣面形貌偏離理想形貌的微觀起伏程度；(3)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據集Z；(4)根據陣面形貌變形數據集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：f(X)=Σr=1LΣi=1N(αri+-αri-)kr(X,Xi)+b式中，向量X=[x,y]T表示陣面輪廓的橫坐標和縱坐標，T表示向量或矩陣的轉置運算，L表示核函數的個數，kr(X,Xi)表示第r個核函數k(X,Xi)，N表示陣面形貌變形數據Z的個數，向量Xi表示第i個數據樣本，參數分別表示函數f(X)的正負支持向量，b表示函數f(X)的偏置項；(5)利用陣面形貌高度誤差函數ΔS1(x,y)和陣面形貌高度的變形函數f(X)，修正理想陣面形貌輪廓高度S0(x,y)，獲得共形承載微帶天線在成型制造和服役載荷影響下的實際陣面形貌函數S(x,y)：S(x,y)=S0(x,y)+ΔS1(x,y)+f(X)，(6)根據獲得的實際陣面形貌函數S(x,y)，根據電磁學原理，計算共形承載微帶天線的遠場輻射電場：E(r)=-jke-jkR4πR∫ΩM(r)×R^ejkR·R^dΩ,式中，積分方程表示對實際陣面進行面積分，E(r)表示從原點到矢量r處的輻射電場，k表示電磁波傳播常數，變量Ω表示實際陣面形貌S(x,y)確定的表面，M(r)表示與實際陣面S(x,y)正切的磁表面電流，R是坐標原點到觀察點的距離，是坐標原點到觀察點的單位方向矢量，j表示復數的虛部；(7)從遠場輻射電場E(r)中提取波束寬度BW、中心頻率F、副瓣SL、駐波比V和增益G電性能指標，并使用向量D=[BW,F,SL,V,G]T表示，其中T表示轉置；(8)把提取的電性能指標D與電性能設計指標d進行比較，并使用差值E=D?d誤差來評估陣面形貌對電性能的影響程度，其中d由步驟(1)中的設計指標指定；(9)判斷誤差絕對值|E|是否大于預先設定的電性能指標誤差值R，該誤差值R根據中心頻率來設定，如果|E|≥R，修改天線的結構設計，重復上述步驟(1)~(8)，直到電性能指標滿足設計指標，進而獲得最優的天線設計。FDA00002289610300013.jpg,FDA00002289610300022.jpg...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：周金柱，黃進，宋立偉，李鵬，章丹，郭東來，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：
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