[发明专利]共形承载微带天线阵面形貌对电性能影响的预测方法

说明书

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辐射功能。

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。

(1)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 J,Alt K H,Coughlin D P.et al.Design and development of a conformal load-bearing smart-skin antenna:overview of the AFRL smart skin structures technology demonstration(S3TD).In: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采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 microstrip antennas for their integration with mechanical structures.IEEE Transactions on Antennas 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 W.Effect of adhesive bonds on electrical performance in multi-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。