周金柱，黃 進(jìn)，宋立偉，章 丹

(西安電子科技大學(xué)電子裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計教育部重點實驗室， 陜西 西安 710071)

結(jié)構(gòu)功能一體化天線的機(jī)電耦合機(jī)理和實驗

周金柱，黃 進(jìn)，宋立偉，章 丹

(西安電子科技大學(xué)電子裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計教育部重點實驗室， 陜西 西安 710071)

結(jié)構(gòu)功能一體化天線能夠?qū)⒓晌炀€陣列的射頻功能件嵌入到武器平臺結(jié)構(gòu)中，它既可作為力學(xué)承載的蒙皮結(jié)構(gòu)，又可作為收發(fā)電磁波的微波天線，在未來武器裝備中具有巨大的應(yīng)用前景。這種天線具有結(jié)構(gòu)和電路的高度集成以及服役環(huán)境苛刻等特點，現(xiàn)有方法難以滿足其設(shè)計制造。文中針對結(jié)構(gòu)功能一體化天線的機(jī)電耦合機(jī)理問題，提出了一類陣列天線結(jié)構(gòu)因素對電性能影響的混合建模方法。結(jié)合理論分析和試驗數(shù)據(jù)，建立了該類天線的機(jī)電耦合模型，發(fā)掘了典型結(jié)構(gòu)因素對電性能的影響機(jī)理。通過天線樣件的力電性能實驗，驗證了機(jī)電耦合機(jī)理的有效性。本研究成果可應(yīng)用到結(jié)構(gòu)功能一體化天線的設(shè)計制造領(lǐng)域中。

結(jié)構(gòu)功能一體化天線；微帶天線；機(jī)電耦合；混合建模；蒙皮結(jié)構(gòu)

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，西方軍事強(qiáng)國不斷推出各類新概念武器平臺研究計劃，如變形飛機(jī)、智能戰(zhàn)車、隱身戰(zhàn)艦等，它們不斷向著隱身化、多功能化、智能化和高機(jī)動性等方向發(fā)展[1-3]。這些武器平臺也對未來的天線提出了新的要求：1)要求天線能與結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高度的融合和集成。未來的天線不僅要求電路和結(jié)構(gòu)的高度集成，還需要天線與武器平臺結(jié)構(gòu)的融合和共形。2)要求天線具有優(yōu)異的力學(xué)和電磁性能。未來的天線不僅要實現(xiàn)電磁功能的高度綜合化，還要求天線能夠嵌入到武器平臺結(jié)構(gòu)中，并且在苛刻服役環(huán)境下具有可靠和穩(wěn)定的力學(xué)性能和電磁性能。總體而言，未來的天線將具有結(jié)構(gòu)功能一體化特點。

所謂結(jié)構(gòu)功能一體化天線是指將集成微帶天線陣列的射頻功能件嵌入到武器平臺結(jié)構(gòu)中，利用先進(jìn)一體化復(fù)合成型工藝制造的高度集成化的有源夾層微帶天線。它既可作為武器平臺結(jié)構(gòu)的力學(xué)承載功能件，也可以作為收發(fā)電磁波的電磁功能件。與傳統(tǒng)天線相比，結(jié)構(gòu)功能一體化天線具有結(jié)構(gòu)/電路的高度融合和多功能化兩個顯著特點。由于結(jié)構(gòu)和電路的高度融合，使得天線成為武器平臺結(jié)構(gòu)的一部分或全部，消除了天線罩的使用，降低了天線重量和空間占用率，而多功能化的特點也使得該類型天線既可作為具有力學(xué)承載功能的蒙皮結(jié)構(gòu)，也可作為發(fā)射和接收電磁波的微波裝置。結(jié)構(gòu)功能一體化天線可以廣泛應(yīng)用到新一代戰(zhàn)機(jī)、無人機(jī)、預(yù)警飛艇、智能戰(zhàn)車、隱身戰(zhàn)艦等領(lǐng)域中。

早在20世紀(jì)90年代，為了實現(xiàn)天線與飛行器結(jié)構(gòu)表面的共形，美國在世界上率先開展了結(jié)構(gòu)功能一體化天線的研究計劃，如智能蒙皮結(jié)構(gòu)技術(shù)、結(jié)構(gòu)一體化X波段陣列(SIXA)和RF多功能結(jié)構(gòu)等項目。波音公司在微波暗室中測試了試驗樣件的電性能，結(jié)果表明嵌入蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的微帶天線比傳統(tǒng)微帶天線電性能差。這說明直接把微帶天線埋入蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中，微帶天線的外部結(jié)構(gòu)尺寸會影響其電磁輻射性能，但波音公司并沒有給出影響機(jī)理的耦合模型。NASA也研制了一種應(yīng)用于長航程無人機(jī)的機(jī)翼，其天線陣列、太陽能電池與機(jī)翼完全融為一體[1-3]。NASA的實驗結(jié)果表明，這種多功能機(jī)翼在飛行中扭曲、搖擺誘發(fā)的機(jī)械應(yīng)力對天線電性能有影響，但他們卻沒有給出描述影響關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。西歐一些國家如瑞典的防御研究局比較詳細(xì)地給出了結(jié)構(gòu)功能一體化雷達(dá)天線的架構(gòu)圖，德國也提出了應(yīng)用于智能UAV之上的高度結(jié)構(gòu)功能一體化雷達(dá)天線架構(gòu)(圖3)，并研究了機(jī)械物理參量(如剛度、強(qiáng)度、破壞極限、制造應(yīng)力、雷擊環(huán)境應(yīng)力等)導(dǎo)致天線陣面變形引起的電磁波束紊亂和內(nèi)部電平信號錯誤之間的關(guān)系，但這種關(guān)系的數(shù)學(xué)模型并未在其公開論文中描述[2-3]。近年來，韓國浦項科技大學(xué)采用層合粘貼的方法將微帶天線嵌入到復(fù)合結(jié)構(gòu)中，從而做成結(jié)構(gòu)功能一體化天線[4-6]。然而，由于在設(shè)計中沒有考慮粘接、成型等制造因素的影響，導(dǎo)致該天線在承受一定沖擊載荷時，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)分層、塌陷等缺陷，從而使天線的電性能完全失效。通過研制的試驗樣件，他們測試了該天線的力學(xué)性能(包括彎曲、沖擊)和電性能，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)因素如幾何尺寸和陣面變形對電磁性能有影響，然而由于缺乏該類型天線的耦合模型，因此難以準(zhǔn)確地預(yù)測其影響程度。

國內(nèi)部分科研單位如北京航材研究院、中國電子科技集團(tuán)也開展了相關(guān)的研究，通過采用實驗試湊、經(jīng)驗調(diào)試和修補(bǔ)拼裝的辦法，也研制了一些試驗樣件，然而，由于缺乏相關(guān)理論的指導(dǎo)，很多研究還停留在試驗摸索階段，不能滿足工程需求?？傊?，國內(nèi)外的一些科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)意識到結(jié)構(gòu)功能一體化天線在未來武器裝備中的潛在應(yīng)用，利用現(xiàn)有的機(jī)械和電磁學(xué)理論(即機(jī)電分離)研制了試驗樣件，并通過樣件試驗發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)因素會影響其力電性能。然而，由于該類型天線結(jié)構(gòu)/電路高度集成、耦合關(guān)系復(fù)雜以及缺乏機(jī)電耦合機(jī)理的指導(dǎo)，導(dǎo)致研制周期長、制造缺陷多，目前還不能滿足工程需求。

本文針對結(jié)構(gòu)功能一體化天線的機(jī)電耦合機(jī)理問題，提出了一類陣列天線結(jié)構(gòu)因素對電性能影響的混合建模方法。結(jié)合理論分析和試驗數(shù)據(jù)，建立了該類天線的機(jī)電耦合模型，發(fā)掘了典型結(jié)構(gòu)因素對電性能的影響機(jī)理。通過結(jié)構(gòu)功能一體化天線樣件的力電性能實驗，驗證了機(jī)電耦合機(jī)理的有效性。

1 耦合機(jī)理的混合建模

結(jié)構(gòu)功能一體化天線可以作為武器平臺的蒙皮結(jié)構(gòu)，將廣泛應(yīng)用到新一代戰(zhàn)機(jī)、無人機(jī)、預(yù)警飛艇、智能戰(zhàn)車、隱身戰(zhàn)艦等領(lǐng)域中，如圖1所示。該類型天線的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由上下面板層、蜂窩層和射頻功能層復(fù)合而成。針對圖2所示結(jié)構(gòu)，假設(shè)微帶輻射單元按等間距矩形柵格排列，如圖3(a)所示，此陣列天線共有M×N個輻射單元，位于xoy平面上，每個輻射單元之間的間距分別為dx與dy。每個單元都是工程中廣泛使用的矩形微帶輻射單元，如圖3(b)所示。

圖1 結(jié)構(gòu)功能一體化天線的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

圖2 典型的夾層微帶天線結(jié)構(gòu)

圖3 輻射單元與陣列排列示意圖

傳統(tǒng)微帶天線陣列電性能計算公式：

exp[jk(mdxsinθcosφ+ndysinθsinφ)+jΦmn]

(1)

式中：M、N為沿x軸、y軸方向的輻射單元的個數(shù)；Imn為第mn個輻射單元的激勵電流幅度；Φmn為第mn個輻射單元的激勵電流相位；k=2π/λ0為自由空間波常數(shù)，λ0為自由空間波長；θ、φ為空間指向方位。

FE(θ,φ)表示傳統(tǒng)微帶天線單元的方向圖：

sinθcos(0.5kLdcosφ)

(2)

式中：Ld為矩形輻射單元的長度；Wd為矩形輻射單元的寬度；hd為介質(zhì)板的厚度。

上述微帶天線單元方向圖計算中沒有考慮面板厚度、粘接厚度和蜂窩厚度等因素的影響。為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化微帶天線的機(jī)電綜合設(shè)計，需要建立關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和電性能的影響關(guān)系。因此，本文提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的夾層微帶天線輻射單元混合建模方法[7-8]，以建立主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對輻射單元方向圖的影響關(guān)系，如圖4所示。

該數(shù)據(jù)驅(qū)動混合建模方法的基本思想是：首先利用傳統(tǒng)輻射單元方向圖公式設(shè)計矩形微帶輻射單元，獲得輻射單元的計算數(shù)據(jù)。然后，利用均勻?qū)嶒炘O(shè)計原理，制作一批夾層微帶天線輻射單元實驗樣件，該樣件通過一體化成型工藝綜合了輻射單元電氣板、蜂窩和面板，并且能夠反映不同蜂窩和面板尺寸對電性能的影響。接著，利用近場測量設(shè)備測量每個樣件的輻射方向圖，獲得樣件的實測方向圖數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建數(shù)據(jù)建模所需要的數(shù)據(jù)樣本集。最后，根據(jù)數(shù)據(jù)樣本集，利用機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中的支持向量回歸算法建立關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素對單元方向圖影響的修正公式。

通過使用數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法修正現(xiàn)有微帶天線單元方向圖計算公式，可以得到關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)X(如面板、蜂窩厚度等)對夾層微帶天線單元輻射方向圖的影響機(jī)理計算公式：

FE(θ,φ,X)=FE(θ,φ)+ΔFE=

(3)

利用機(jī)理表達(dá)公式(3)修正現(xiàn)有的陣列天線電性能公式(1)，建立如下結(jié)構(gòu)功能一體化夾層微帶天線的機(jī)電影響機(jī)理模型：

(4)

ndysinθsinφ)+jΦmn]

(5)

為了準(zhǔn)確地建立數(shù)據(jù)模型(4)，本研究使用了支持向量回歸算法，它是一種新的統(tǒng)計機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能夠從少量的試驗數(shù)據(jù)中回歸得到一個數(shù)據(jù)模型。關(guān)于該算法的求解和應(yīng)用，文獻(xiàn)[9-12]給出了詳細(xì)的介紹。

2 影響機(jī)理的試驗

為了驗證上述方法的有效性，研制了中心頻率為2.5 GHz和12.5 GHz的結(jié)構(gòu)功能一體化天線樣件。該樣件的結(jié)構(gòu)與圖2所示的組成情況一致，包含上面板、蜂窩層、微帶天線層和下面板4層結(jié)構(gòu)。上、下面板為玻璃鋼，蜂窩層為六邊形格子的Nomex紙蜂窩，微帶天線層的基板為聚四氟乙烯材料。首先研究了2.5 GHz天線樣件的機(jī)電耦合機(jī)理，然后利用這些機(jī)理研制了12.5 GHz天線，并通過實驗驗證了樣件的力電性能。圖5和圖6給出了天線樣件CAD圖和部分實物。

圖5 天線樣件結(jié)構(gòu)CAD圖

圖6 天線樣件實物

利用研制的實驗樣件，分別開展了三點彎曲力學(xué)性能試驗(圖7)、駐波比測試(圖8)和天線增益試驗(圖9)。根據(jù)獲得的試驗數(shù)據(jù)，發(fā)掘了典型結(jié)構(gòu)因素對電性能的影響機(jī)理，一方面獲得了機(jī)電耦合機(jī)理，另一方面，驗證了上述耦合機(jī)理建模方法的有效性。

圖7 三點彎曲測試

圖8 駐波比測試

圖9 增益測試

根據(jù)2.5 GHz天線樣件的實驗數(shù)據(jù)，首先使用靈敏度的分析方法，找到了影響輻射單元電性能的主要結(jié)構(gòu)因素如面板和蜂窩厚度、介質(zhì)板材料和表面粗糙度等。圖10和圖11分別給出了面板和蜂窩厚度對輻射單元電性能指標(biāo)的影響程度。靈敏度的計算公式：

(6)

式中：a為電性能指標(biāo)的實測值；b為電性能指標(biāo)的設(shè)計基準(zhǔn)值；c為蒙皮或蜂窩厚度的實測值；d為蒙皮或蜂窩厚度的設(shè)計基準(zhǔn)值。

圖10 蒙皮厚度對電性能指標(biāo)影響的耦合程度

由圖10和圖11可知，蒙皮和蜂窩厚度對所有電性能指標(biāo)如增益、駐波比、波束寬度和副瓣都有影響。其中，蒙皮厚度對輻射單元的增益影響最大，雖然厚的蒙皮會有較好的力學(xué)性能，但其增益的損失較大，這直接影響天線的作用距離。蜂窩厚度對增益的影響不大，主要原因是蜂窩使用了損耗較小的透波材料，但蜂窩厚度對駐波比的影響較大，原因可能是一體化成型制造中，制造精度導(dǎo)致微波電路的不匹配。除此之外，蒙皮和蜂窩的厚度都會對第一副瓣產(chǎn)生較大的影響，這會導(dǎo)致副瓣升高，降低了天線的抗干擾能力。

圖11 蜂窩厚度對電性能指標(biāo)影響的耦合程度

圖12和圖13給出了不同蒙皮厚度對輻射單元方向圖和駐波比的影響規(guī)律。圖14和圖15給出了蜂窩厚度對輻射單元方向圖和駐波比的影響規(guī)律。

圖12 蒙皮厚度對輻射單元方向圖的影響規(guī)律

圖13 蒙皮厚度對駐波比的影響規(guī)律

圖14 蜂窩厚度對輻射單元方向圖的影響規(guī)律

圖15 蜂窩厚度對駐波比的影響規(guī)律

從圖12中可以看到，相對理想輻射單元(即傳統(tǒng)的微帶輻射單元)，隨著蒙皮厚度的增加，增益增加得越大，同時，副瓣也會隨著增加。從圖13中可以看到，相對理想輻射單元，隨著蒙皮厚度的增加，駐波比越來越大，這意味著天線匹配性差，饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗大，并且，隨著蒙皮厚度的增加，天線中心頻率向低頻偏移，蒙皮越厚，偏移越明顯。因此，增加蒙皮厚度能夠提高夾層微帶天線的力學(xué)承載能力和天線的增益，然而卻不利于其他電性能(如中心頻率)。從圖14中可以看到，相對理想輻射單元，隨著蜂窩厚度的增加，增益增加得越明顯，同時，副瓣也會隨著增加。從圖15中可以看到，隨著蜂窩厚度的增加，天線中心頻率向低頻偏移，蜂窩越厚，偏移越明顯。

應(yīng)用上述機(jī)理又研制了一個12.5 GHz的天線樣件，并通過實驗驗證了其力電性能。圖16給出了12.5 GHz天線樣件的有限元分析模型，三點彎曲實驗與仿真對比如圖17所示。由圖17可知，在彎曲載荷增加過程中，位移測試值與仿真值的趨勢是一致的，且最大誤差小于4.3%，說明了力學(xué)模型分析的準(zhǔn)確性。

圖16 X頻段夾層微帶天線的有限元模型

圖17 三點彎曲實驗與仿真對比

利用HFSS軟件計算了該12.5 GHz天線的增益方向圖，如圖18所示。從中提取出增益信息，并與實測增益進(jìn)行對比，見表1。從表1可知，天線增益實測與仿真結(jié)果的誤差最大值為7.2%，滿足預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，進(jìn)而驗證了上述機(jī)電耦合機(jī)理的有效性。

圖18 12.5 GHz天線增益方向圖

表1 天線增益實測與仿真結(jié)果對比

3 結(jié)束語

1)本文提出了一類陣列天線結(jié)構(gòu)因素對電性能影響的混合建模方法，以解決結(jié)構(gòu)功能一體化天線的機(jī)電耦合機(jī)理建模問題。

2)樣件試驗數(shù)據(jù)的研究表明，蒙皮和蜂窩厚度對夾層微帶輻射單元電性能的影響較大。雖然增加蒙皮和蜂窩的厚度有利于天線力學(xué)承載性能，但卻不利于天線電性能(如中心頻率、副瓣和駐波比)。因此，應(yīng)當(dāng)從機(jī)電綜合的角度出發(fā)，找到最優(yōu)的蒙皮和蜂窩設(shè)計厚度，以同時獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和電性能。

3)通過結(jié)構(gòu)功能一體化天線樣件的力電性能實驗，驗證了機(jī)電耦合機(jī)理的有效性。本研究成果可應(yīng)用到結(jié)構(gòu)功能一體化天線的機(jī)電集成設(shè)計中。

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周金柱(1979-)，男，講師，研究方向為結(jié)構(gòu)功能一體化天線機(jī)電耦合機(jī)理的建模與控制。

黃 進(jìn)(1968-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為微波電子裝備機(jī)電耦合的建模與控制。

宋立偉(1981-)，男，副教授，研究方向為共形承載天線的機(jī)電耦合。

章 丹(1986-)，女，碩士研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)功能一體化天線的電磁設(shè)計。

Electromechanical Coupling Mechanism and Experiment for Structurally Integrated Antenna

ZHOU Jin-zhu，HUANG Jin，SONG Li-wei，ZHANG Dan

(KeyLaboratoryofElectronicEquipmentStructureDesign，MinistryofEducation,XidianUniversity,Xi′an710071,China)

Structurally integrated antenna is a kind of novel antenna which can embed RF functional part of microstrip antenna array into the structure of weapon platforms. The antenna is not only a load-bearing skin structure, but also a microwave antenna which can receive or send electromagnetic waves, and has great potential application in future weapon platforms. Because of the characteristics of high integration of structure and circuit and harsh working environment, the existing method cannot meet the designing and manufacturing requirements of the antenna. For the electromechanical coupling mechanism, this paper proposes a hybrid modeling method about the effect of the structural factors on the electrical properties of the antenna. Combining some theoretical analysis and experimental data, an electromechanical coupling model is established and some mechanisms about the influence of typical structural factors on electrical properties are obtained. Finally, some experiments are carried out, and the results verify the effectiveness of the electromechanical coupling mechanism. This research can be applied to the designing and manufacturing of structurally integrated antenna.

structurally integrated antenna; microstrip antenna; electromechanical coupling; hybrid modeling; skin structure

2013-11-22

國家自然科學(xué)基金資助項目(51305323，51035006)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項目(K5051204019，K5051304048)

TN82

A

1008-5300(2014)01-0001-06