一种机翼蒙皮天线机电耦合分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种机翼蒙皮天线机电耦合分析方法，包括以下步骤：（1）设计出一体化机翼蒙皮天线的几何结构模型；（2）提取各个微带辐射单元中心处的期望位置坐标；（3）将几何结构模型导入Ansys软件的CFX求解器中，建立几何结构模型的气动力学分析模型，并获得阵面变形数据和最大应力；（4）通过计算方向系数、增益等评估气动力载荷对机翼蒙皮天线力电性能的影响程度。本发明的有益之处在于：计算速度快、结果准确、占用内存小；可定量分析非定常气动载荷对一体化机翼蒙皮天线力电性能影响的演变规律，克服了现有软件难以实现机电耦合分析的弊端，为设计阶段评估气动载荷的影响程度和实现气动、结构和电磁的多学科集成设计奠定了基础。
【专利说明】一种机翼蒙皮天线机电輔合分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机翼蒙皮天线机电耦合分析方法，具体涉及一种用于结构功能一 体化机翼蒙皮天线力电性能的演变规律预测和多学科设计的机电耦合分析方法，属于飞行 器天线【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 结构功能一体化机翼蒙皮天线是指将集成微带天线阵列的射频功能件嵌入到飞 行器的机翼结构中，通过利用一体化复合成型工艺制造的高度集成化蒙皮天线，它既可以 作为武器平台结构的力学承载功能件，也可以作为收发无线电磁波的电磁功能件。采用结 构与功能一体化机翼蒙皮天线的设计思路是机翼系统"用先进传感器建造而不是在平台上 装备先进传感器"。与传统天线对比，结构功能一体化机翼蒙皮天线具有结构/电路的高度 融合特点。它可以应用到未来飞行器如变体飞机、无人机、飞艇预警机等，是实现飞行器隐 身化、多功能化和高机动性的关键技术。
[0003] 结构功能一体化机翼蒙皮天线既可以作为飞行器的机翼，也可以作为发射和接收 电磁波的天线装置，满足飞行器的气动性能、电磁隐身和适装性能等需求。然而，在其服役 过程中，机翼结构不可避免地要受到气动载荷的影响，会引起机翼结构的振动和变形，导致 嵌入结构中天线辐射单元位置的变化，影响电磁辐射性能。
[0004] 在相关的研究中，NASA和波音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。这些结果在文献"Urcia，M. and D. Banks. Structurally integrated phased arrays. in2011IEEE Aerospace Confere nee, AER02011, March5, 2011-March12,2011.2011.Big Sky, MT, United states:IEEE Computer Society. "（M. Urcia, D. Banks.结构集成的相控阵.2011 年 IEEE 航空会议， Big Sky, MT, United states, 2011:1-8.)中有报导。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。然而却没有给出服役中力电性能演变的预测方法。近 年来，韩国浦项科技大学采用采用粘接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。他们研究了面板、蜂窝的几何尺寸以及粘接对其力电性能的影 响关系。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.，'（You C S, Tentzeris Μ M, Hwang W B.多层结构对集成结构中微带天线电性能的影响.IEEE天线与 传播期刊· 2007, 55(4) :1051-1058.)和文献"Kim D, You C, Hwang W. Effect of adhesive bonds on electrical performance in multi-layer composite antenna. Composite Struct ures. 2009, 90 (4) :413-417。"(Kim D, You C S, Hwang W B.粘接对多层复合天线电性能的影响 机理.复合结构.2009, 90(4) :413-417.)有报道。然而，他们并没有研究服役中的气动载 荷对其性能影响的演变规律。国内的哈尔滨工业大学复合材料研究所研制了以环氧玻璃纤 维板和聚四氟乙烯板为介质基板的埋微带天线叠层结构样件，并研究了不同介电参数和蜂 窝夹层厚度对天线力电性能的影响规律。该研究在文献"戴福洪，王广宁.埋微带天线蜂 窝夹层结构的力电性能分析.复合材料学报，2011，28 (2) :231-234. "有报道。
[0005] 上面公开的文献还存在以下不足：
[0006] 1、上述文献虽然发现了面板、蜂窝和粘接等因素会影响天线的力电性能，然而却 缺乏服役中气动载荷对其力电性能影响的耦合分析方法，导致在设计阶段不能预测服役性 能的演变规律。
[0007] 2、该类型天线的设计需要考虑气动、结构和电磁辐射等多学科知识，然而，由于缺 乏结构功能一体化机翼蒙皮天线的机电耦合分析方法，目前主要使用机电分离的设计方 法，导致了研制成本高、周期长和服役性能差等。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种机翼蒙皮天线机电耦合分析方法，该方法可以定量分 析非定常气动载荷对结构功能一体化机翼蒙皮天线力电性能影响的演变规律。
[0009] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0010] 一种机翼蒙皮天线机电耦合分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011] 第一步：根据工程需求，采用天馈系统分布式布局和控制和信号处理系统集中处 理的方式把若干微带辐射单元嵌入到机翼天线的上蒙皮和下蒙皮结构中，并结合飞行器气 动外形的需求，设计出结构功能一体化机翼蒙皮天线的几何结构模型；
[0012] 第二步：从几何结构模型中提取各个微带辐射单元中心处的期望位置坐标
【权利要求】
1. 一种机翼蒙皮天线机电耦合分析方法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步：根据工程需求，采用天馈系统分布式布局和控制和信号处理系统集中处理的 方式把若干微带辐射单元嵌入到机翼天线的上蒙皮和下蒙皮结构中，并结合飞行器气动外 形的需求，设计出结构功能一体化机翼蒙皮天线的几何结构模型； 第二步：从几何结构模型中提取各个微带辐射单元中心处的期望位置坐标
其中，W表示第ij个微带辐射单元的水平坐标，4表示第ij个微带辐射单元的高 度坐标，Μ和N表示沿着X，y方向的微带福射单元个数； 第三步：将所述几何结构模型导入Ansys软件的CFX求解器中，根据气动力学原理、通 过修改几何结构模型的网格建立几何结构模型的气动力学分析模型，获得机翼表面的定常 气动压强Pi (X，y, z, t); 第四步：根据获得的定常气动压强h (χ，y，z，t)，利用当地流活塞理论，计算机翼表面 某点的非定常气动压强P(x, y, z, t)，其计算公式如下：
(1) 式中，P(x，y，z，t)为机翼表面某点的非定常气动压强，W(x，y，z，t)为气流在该点沿物 面外法线方向的上洗速度，Vb为该点物面的振动速度，'、匕(X，y，z，t)、P 1和分别为该 点的当地速度、当地压强、当地空气密度和当地音速，％为物面变形前的外法线单位矢量，η 为物面变形后的外法线单位矢量； 第五步：根据非定常气动压强P(x，y，z，t)和已知的机翼表面面积S，计算结构功能一 体化机翼蒙皮天线的非定常气动力载荷F(t):
(12) 第六步：施加气动力载荷F(t)到结构功能一体化机翼蒙皮天线的气动力学分析模型 中，利用Ansys软件求解该气动力学分析模型，并获得该气动力学分析模型的阵面变形数 据和最大应力； 第七步：根据获得的阵面变形数据，提取各个微带辐射单元在时刻t处的位置坐标Γ
其中，xu(t)和^⑴表示第ij个微带辐射单元变形后的阵面水平坐标，zu(t)表示 第ij个微带辐射单元变形后的阵面高度坐标； 第八步：根据各个微带辐射单元变形后的位置坐标Γ和第二步中获得的期望位置坐 标Γ°，计算第ij个微带辐射单元在t时刻的辐射单元位置误差：
(13) 式中，Δ Xu (t)、Δ ⑴和Δ Zij⑴表示第i j个微带福射单元随着时间t的位移变化 量； 第九步：根据各个辐射单元位置误差，利用方向图叠加原理，在考虑阵面辐射单元位置 误差、面板和蜂窝厚度的影响下，计算蒙皮天线远场电场场强：
(4) 式中，Μ和N分别表示沿直角坐标系X轴和y轴方向的微带辐射单元个数，I u表示第 ij个微带福射单元的激励电流，Fij( θ，φ)表示第ij个微带福射单元方向图，
表示自由空间波常数，λ ^表示自由空间波彳分别表示天线波束在远区的观察方向，j 表示复数虚部，
表示从坐标原点到第ij个微带福射单元中心的位置矢量，
表示第ij个微带辐射单元中心随时间t的位置 演变，4，<，号表示该微带辐射单元在直角坐标系中的三个分量，p表示远区的观察方向的 单位极化矢量
第十步：根据得到的远场电场场强Ε( θ，φ)，计算结构功能一体化机翼蒙皮天线的方 向系数D(0，φ)和增益G(0，φ):
(5) 式中，η表示天线的辐射效率；在毫米波或高频频段下，.
. 第十一步：根据天线远场电场场强Ε(θ，φ)和增益D(0，φ)，评估气动力载荷F(t) 对机翼蒙皮天线力电性能的影响程度。
2. 根据权利要求1所述的机翼蒙皮天线机电耦合分析方法，其特征在于，在第三步中， 所建立的结构功能一体化机翼蒙皮天线的气动力学分析模型为 ：
(6) 式中，M、C和K分别表示机翼蒙皮天线结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；δ、^和 S分别表示机翼蒙皮天线在气动载荷影响下的节点位移、速度和加速度。
3. 根据权利要求2所述的机翼蒙皮天线机电耦合分析方法，其特征在于，在第六步中， 计算阵面变形数据和最大应力按如下步骤进行： (1) 在Ansys中，定义各层使用的单元类型，确定面板、蜂窝和射频电路层的等效材料 参数； (2) 施加气动力载荷F(t)到结构功能一体化机翼蒙皮天线的气动力学分析模型中，利 用Ansys软件求解获得气动载荷作用下的天线结构阵面变形数据和最大应力； (3) 根据阵面变形数据和最大应力评估压力、马赫数对机翼蒙皮天线结构力学性能的 影响，如果超出预期设计指标，则需要返回第一步，修改几何结构模型。
4. 根据权利要求1所述的机翼蒙皮天线机电耦合分析方法，其特征在于，在第九步中， 所述第ij个微带辐射单元方向图θ，φ)的计算按如下步骤进行： (1) 在平面阵列和互耦忽略的情况下，阵中每个微带辐射单元方向图φ)用极 化分量F ( θ，φ)来表示：
(7) 式中，Fo和分别表不电场在θ，φ方向上极化分量，和#表不单位极化矢量； (2) 考虑面板和蜂窝对微带辐射单元的影响，利用传输线理论和矩形微带天线腔模分 析方法计算式（7)中的Fe和Ft，计算公式为 ：
(8) 式中，b表示矩形微带辐射单元的宽度，
表示自由空间中的传播常数，f 是天线工作频率，μ。和ε。分别表示自由空间中的空气磁导率和介质常数；R表示远区观 察点离微带辐射单元中心的距离；V。表示矩形微带天线腔模分析中的缝隙电压；X，Υ，Ζ是 中间量，Q( Θ )和Ν( Θ )表示微带辐射单元考虑蜂窝和面板影响下的电压； (3) 计算式（8)中的中间量Χ，Υ，Ζ，计算公式如下：
式中，a表示矩形微带辐射单元的长度，h表示介质板的厚度； (4) 考虑面板和蜂窝组成的复合结构对微带辐射单元的影响，利用传输线理论，计算式 ⑶中的Q ( Θ )和N ( Θ ): 对于平行极化波，Q( Θ )的计算公式为：
(10) 式中，表示微带辐射单元在介质中的传播常数，μrt和分别表示介质基板的磁 导率和介电常数是介质基板的厚度，其数值等于h ;.
表示介质基板层在平行极化波 传输下的特性阻抗，Q( Θ )和IQ( Θ )表示在
处的电压和电流，它依赖入射波的角度Θ , 表不基板底端的电流； (11) 对于垂直极化波，Ν( θ )的计算公式为： 式中，表示介质基板层在垂直极化波传输下的特性阻抗，Ν( Θ )和ΙΝ( Θ )表示在-
处的电压和电流，它依赖入射波的角度Θ，/f表示介质基板底端的电流； (5)利用传输线的阻抗级联，计算式（10)和（11)中的i〇?和if，计算方式如下： 对于平行极化波入射，的计算公式为：
(12) 对于垂直极化波入射，的计算公式为：
(13) 上述公式（12)和（13)中的F/f、Jf和分别表示在垂直极化波入射波情况下的等 效电压、电流和电阻，分别表示在垂直极化波入射波情况下的等效电压、 电流和电阻，K严和F/M的计算方法如下：
(14) 上述公式（12)和（13)中不同极化模式波在不同层中的特性阻抗计算方法如下：
(15) 式中，
表示面板和介质基板中传播TE波下的特性阻抗，
：表示在TE 波在蜂窝和自由空间的特性阻抗；
表示面板和介质基板中传播TM波下的特性 阻抗，
表示在TM波在蜂窝和自由空间的特性阻抗； 上述公式（12)和（13)中的βρ β2、03和04分别表示电磁波在基板、蜂窝、面板和 (16) 空气中的传播常数，其计算方法如下： 已知介电常数、磁导率、各层厚度和入射角度θ和远区观察距离R后，利用公式 (12)-(16)即能够计算出待求解的未知量
【文档编号】G06F17/50GK104063533SQ201410138251
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】周金柱, 黄进, 段宝岩, 陈光达, 王从思, 李鹏, 宋立伟, 保宏 申请人:西安电子科技大学