结构功能一体化天线的机电耦合机理和实验

周金柱，黄 进，宋立伟，章 丹

(西安电子科技大学电子装备结构设计教育部重点实验室， 陕西 西安 710071)

结构功能一体化天线的机电耦合机理和实验

周金柱，黄 进，宋立伟，章 丹

(西安电子科技大学电子装备结构设计教育部重点实验室， 陕西 西安 710071)

结构功能一体化天线能够将集成微带天线阵列的射频功能件嵌入到武器平台结构中，它既可作为力学承载的蒙皮结构，又可作为收发电磁波的微波天线，在未来武器装备中具有巨大的应用前景。这种天线具有结构和电路的高度集成以及服役环境苛刻等特点，现有方法难以满足其设计制造。文中针对结构功能一体化天线的机电耦合机理问题，提出了一类阵列天线结构因素对电性能影响的混合建模方法。结合理论分析和试验数据，建立了该类天线的机电耦合模型，发掘了典型结构因素对电性能的影响机理。通过天线样件的力电性能实验，验证了机电耦合机理的有效性。本研究成果可应用到结构功能一体化天线的设计制造领域中。

结构功能一体化天线；微带天线；机电耦合；混合建模；蒙皮结构

引 言

随着科学技术的快速发展，西方军事强国不断推出各类新概念武器平台研究计划，如变形飞机、智能战车、隐身战舰等，它们不断向着隐身化、多功能化、智能化和高机动性等方向发展[1-3]。这些武器平台也对未来的天线提出了新的要求：1)要求天线能与结构实现高度的融合和集成。未来的天线不仅要求电路和结构的高度集成，还需要天线与武器平台结构的融合和共形。2)要求天线具有优异的力学和电磁性能。未来的天线不仅要实现电磁功能的高度综合化，还要求天线能够嵌入到武器平台结构中，并且在苛刻服役环境下具有可靠和稳定的力学性能和电磁性能。总体而言，未来的天线将具有结构功能一体化特点。

所谓结构功能一体化天线是指将集成微带天线阵列的射频功能件嵌入到武器平台结构中，利用先进一体化复合成型工艺制造的高度集成化的有源夹层微带天线。它既可作为武器平台结构的力学承载功能件，也可以作为收发电磁波的电磁功能件。与传统天线相比，结构功能一体化天线具有结构/电路的高度融合和多功能化两个显著特点。由于结构和电路的高度融合，使得天线成为武器平台结构的一部分或全部，消除了天线罩的使用，降低了天线重量和空间占用率，而多功能化的特点也使得该类型天线既可作为具有力学承载功能的蒙皮结构，也可作为发射和接收电磁波的微波装置。结构功能一体化天线可以广泛应用到新一代战机、无人机、预警飞艇、智能战车、隐身战舰等领域中。

早在20世纪90年代，为了实现天线与飞行器结构表面的共形，美国在世界上率先开展了结构功能一体化天线的研究计划，如智能蒙皮结构技术、结构一体化X波段阵列(SIXA)和RF多功能结构等项目。波音公司在微波暗室中测试了试验样件的电性能，结果表明嵌入蜂窝夹层结构的微带天线比传统微带天线电性能差。这说明直接把微带天线埋入蜂窝夹层结构中，微带天线的外部结构尺寸会影响其电磁辐射性能，但波音公司并没有给出影响机理的耦合模型。NASA也研制了一种应用于长航程无人机的机翼，其天线阵列、太阳能电池与机翼完全融为一体[1-3]。NASA的实验结果表明，这种多功能机翼在飞行中扭曲、摇摆诱发的机械应力对天线电性能有影响，但他们却没有给出描述影响关系的数学模型。西欧一些国家如瑞典的防御研究局比较详细地给出了结构功能一体化雷达天线的架构图，德国也提出了应用于智能UAV之上的高度结构功能一体化雷达天线架构(图3)，并研究了机械物理参量(如刚度、强度、破坏极限、制造应力、雷击环境应力等)导致天线阵面变形引起的电磁波束紊乱和内部电平信号错误之间的关系，但这种关系的数学模型并未在其公开论文中描述[2-3]。近年来，韩国浦项科技大学采用层合粘贴的方法将微带天线嵌入到复合结构中，从而做成结构功能一体化天线[4-6]。然而，由于在设计中没有考虑粘接、成型等制造因素的影响，导致该天线在承受一定冲击载荷时，结构会出现分层、塌陷等缺陷，从而使天线的电性能完全失效。通过研制的试验样件，他们测试了该天线的力学性能(包括弯曲、冲击)和电性能，结果表明结构因素如几何尺寸和阵面变形对电磁性能有影响，然而由于缺乏该类型天线的耦合模型，因此难以准确地预测其影响程度。

国内部分科研单位如北京航材研究院、中国电子科技集团也开展了相关的研究，通过采用实验试凑、经验调试和修补拼装的办法，也研制了一些试验样件，然而，由于缺乏相关理论的指导，很多研究还停留在试验摸索阶段，不能满足工程需求。总之，国内外的一些科研机构已经意识到结构功能一体化天线在未来武器装备中的潜在应用，利用现有的机械和电磁学理论(即机电分离)研制了试验样件，并通过样件试验发现结构因素会影响其力电性能。然而，由于该类型天线结构/电路高度集成、耦合关系复杂以及缺乏机电耦合机理的指导，导致研制周期长、制造缺陷多，目前还不能满足工程需求。

本文针对结构功能一体化天线的机电耦合机理问题，提出了一类阵列天线结构因素对电性能影响的混合建模方法。结合理论分析和试验数据，建立了该类天线的机电耦合模型，发掘了典型结构因素对电性能的影响机理。通过结构功能一体化天线样件的力电性能实验，验证了机电耦合机理的有效性。

1 耦合机理的混合建模

结构功能一体化天线可以作为武器平台的蒙皮结构，将广泛应用到新一代战机、无人机、预警飞艇、智能战车、隐身战舰等领域中，如图1所示。该类型天线的基本结构如图2所示，它主要由上下面板层、蜂窝层和射频功能层复合而成。针对图2所示结构，假设微带辐射单元按等间距矩形栅格排列，如图3(a)所示，此阵列天线共有M×N个辐射单元，位于xoy平面上，每个辐射单元之间的间距分别为dx与dy。每个单元都是工程中广泛使用的矩形微带辐射单元，如图3(b)所示。

图1 结构功能一体化天线的结构和应用

图2 典型的夹层微带天线结构

图3 辐射单元与阵列排列示意图

传统微带天线阵列电性能计算公式：

exp[jk(mdxsinθcosφ+ndysinθsinφ)+jΦmn]

(1)

式中：M、N为沿x轴、y轴方向的辐射单元的个数；Imn为第mn个辐射单元的激励电流幅度；Φmn为第mn个辐射单元的激励电流相位；k=2π/λ0为自由空间波常数，λ0为自由空间波长；θ、φ为空间指向方位。

FE(θ,φ)表示传统微带天线单元的方向图：

sinθcos(0.5kLdcosφ)

(2)

式中：Ld为矩形辐射单元的长度；Wd为矩形辐射单元的宽度；hd为介质板的厚度。

上述微带天线单元方向图计算中没有考虑面板厚度、粘接厚度和蜂窝厚度等因素的影响。为了实现结构功能一体化微带天线的机电综合设计，需要建立关键结构参数和电性能的影响关系。因此，本文提出了基于数据驱动的夹层微带天线辐射单元混合建模方法[7-8]，以建立主要结构参数对辐射单元方向图的影响关系，如图4所示。

该数据驱动混合建模方法的基本思想是：首先利用传统辐射单元方向图公式设计矩形微带辐射单元，获得辐射单元的计算数据。然后，利用均匀实验设计原理，制作一批夹层微带天线辐射单元实验样件，该样件通过一体化成型工艺综合了辐射单元电气板、蜂窝和面板，并且能够反映不同蜂窝和面板尺寸对电性能的影响。接着，利用近场测量设备测量每个样件的辐射方向图，获得样件的实测方向图数据，进而构建数据建模所需要的数据样本集。最后，根据数据样本集，利用机器学习领域中的支持向量回归算法建立关键结构因素对单元方向图影响的修正公式。

通过使用数据驱动建模方法修正现有微带天线单元方向图计算公式，可以得到关键结构参数X(如面板、蜂窝厚度等)对夹层微带天线单元辐射方向图的影响机理计算公式：

FE(θ,φ,X)=FE(θ,φ)+ΔFE=

(3)

利用机理表达公式(3)修正现有的阵列天线电性能公式(1)，建立如下结构功能一体化夹层微带天线的机电影响机理模型：

(4)

ndysinθsinφ)+jΦmn]

(5)

为了准确地建立数据模型(4)，本研究使用了支持向量回归算法，它是一种新的统计机器学习算法，能够从少量的试验数据中回归得到一个数据模型。关于该算法的求解和应用，文献[9-12]给出了详细的介绍。

2 影响机理的试验

为了验证上述方法的有效性，研制了中心频率为2.5 GHz和12.5 GHz的结构功能一体化天线样件。该样件的结构与图2所示的组成情况一致，包含上面板、蜂窝层、微带天线层和下面板4层结构。上、下面板为玻璃钢，蜂窝层为六边形格子的Nomex纸蜂窝，微带天线层的基板为聚四氟乙烯材料。首先研究了2.5 GHz天线样件的机电耦合机理，然后利用这些机理研制了12.5 GHz天线，并通过实验验证了样件的力电性能。图5和图6给出了天线样件CAD图和部分实物。

图5 天线样件结构CAD图

图6 天线样件实物

利用研制的实验样件，分别开展了三点弯曲力学性能试验(图7)、驻波比测试(图8)和天线增益试验(图9)。根据获得的试验数据，发掘了典型结构因素对电性能的影响机理，一方面获得了机电耦合机理，另一方面，验证了上述耦合机理建模方法的有效性。

图7 三点弯曲测试

图8 驻波比测试

图9 增益测试

根据2.5 GHz天线样件的实验数据，首先使用灵敏度的分析方法，找到了影响辐射单元电性能的主要结构因素如面板和蜂窝厚度、介质板材料和表面粗糙度等。图10和图11分别给出了面板和蜂窝厚度对辐射单元电性能指标的影响程度。灵敏度的计算公式：

(6)

式中：a为电性能指标的实测值；b为电性能指标的设计基准值；c为蒙皮或蜂窝厚度的实测值；d为蒙皮或蜂窝厚度的设计基准值。

图10 蒙皮厚度对电性能指标影响的耦合程度

由图10和图11可知，蒙皮和蜂窝厚度对所有电性能指标如增益、驻波比、波束宽度和副瓣都有影响。其中，蒙皮厚度对辐射单元的增益影响最大，虽然厚的蒙皮会有较好的力学性能，但其增益的损失较大，这直接影响天线的作用距离。蜂窝厚度对增益的影响不大，主要原因是蜂窝使用了损耗较小的透波材料，但蜂窝厚度对驻波比的影响较大，原因可能是一体化成型制造中，制造精度导致微波电路的不匹配。除此之外，蒙皮和蜂窝的厚度都会对第一副瓣产生较大的影响，这会导致副瓣升高，降低了天线的抗干扰能力。

图11 蜂窝厚度对电性能指标影响的耦合程度

图12和图13给出了不同蒙皮厚度对辐射单元方向图和驻波比的影响规律。图14和图15给出了蜂窝厚度对辐射单元方向图和驻波比的影响规律。

图12 蒙皮厚度对辐射单元方向图的影响规律

图13 蒙皮厚度对驻波比的影响规律

图14 蜂窝厚度对辐射单元方向图的影响规律

图15 蜂窝厚度对驻波比的影响规律

从图12中可以看到，相对理想辐射单元(即传统的微带辐射单元)，随着蒙皮厚度的增加，增益增加得越大，同时，副瓣也会随着增加。从图13中可以看到，相对理想辐射单元，随着蒙皮厚度的增加，驻波比越来越大，这意味着天线匹配性差，馈电网络的损耗大，并且，随着蒙皮厚度的增加，天线中心频率向低频偏移，蒙皮越厚，偏移越明显。因此，增加蒙皮厚度能够提高夹层微带天线的力学承载能力和天线的增益，然而却不利于其他电性能(如中心频率)。从图14中可以看到，相对理想辐射单元，随着蜂窝厚度的增加，增益增加得越明显，同时，副瓣也会随着增加。从图15中可以看到，随着蜂窝厚度的增加，天线中心频率向低频偏移，蜂窝越厚，偏移越明显。

应用上述机理又研制了一个12.5 GHz的天线样件，并通过实验验证了其力电性能。图16给出了12.5 GHz天线样件的有限元分析模型，三点弯曲实验与仿真对比如图17所示。由图17可知，在弯曲载荷增加过程中，位移测试值与仿真值的趋势是一致的，且最大误差小于4.3%，说明了力学模型分析的准确性。

图16 X频段夹层微带天线的有限元模型

图17 三点弯曲实验与仿真对比

利用HFSS软件计算了该12.5 GHz天线的增益方向图，如图18所示。从中提取出增益信息，并与实测增益进行对比，见表1。从表1可知，天线增益实测与仿真结果的误差最大值为7.2%，满足预期的设计目标，进而验证了上述机电耦合机理的有效性。

图18 12.5 GHz天线增益方向图

表1 天线增益实测与仿真结果对比

3 结束语

1)本文提出了一类阵列天线结构因素对电性能影响的混合建模方法，以解决结构功能一体化天线的机电耦合机理建模问题。

2)样件试验数据的研究表明，蒙皮和蜂窝厚度对夹层微带辐射单元电性能的影响较大。虽然增加蒙皮和蜂窝的厚度有利于天线力学承载性能，但却不利于天线电性能(如中心频率、副瓣和驻波比)。因此，应当从机电综合的角度出发，找到最优的蒙皮和蜂窝设计厚度，以同时获得最优的结构和电性能。

3)通过结构功能一体化天线样件的力电性能实验，验证了机电耦合机理的有效性。本研究成果可应用到结构功能一体化天线的机电集成设计中。

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周金柱(1979-)，男，讲师，研究方向为结构功能一体化天线机电耦合机理的建模与控制。

黄 进(1968-)，男，教授，博士生导师，研究方向为微波电子装备机电耦合的建模与控制。

宋立伟(1981-)，男，副教授，研究方向为共形承载天线的机电耦合。

章 丹(1986-)，女，硕士研究生，研究方向为结构功能一体化天线的电磁设计。

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

国家自然科学基金资助项目(51305323，51035006)；中央高校基本科研业务费资助项目(K5051204019，K5051304048)

TN82

A

1008-5300(2014)01-0001-06