结构功能一体化天线机电耦合的混合建模与补偿设计

Structurally Integrated Antenna is a kind of novel antenna which can embed microstrip antenna array into the structure of weapon platforms. The antenna is not only a load-bearing skin structure, but also is a miciowave antenna which can receive or send electromagnetic waves, and it can be applied to all kinds of new weapon platforms in the future. Because of the characteristics of high integration and harsh applied enviroment, the existing method can not meet the design and manufacture of the novel antenna. As for the structurally integrated antenna, this research will propose a hybrid modeling method which can be applied to study the electromechanical coupling mechanism of this antenna. In the method, a new regression algorithm which can incorporate prior knowledge and multiple kernel functions will be developed by using Bayesian inference principle to improve the model accuracy of small datasets. According to the theoretical analysis and measured data, an electromechatronic coupling model showing the influence of of structural factors on functional performance will be constructed by using the proposed method and algorithm, and some mechanism can be obtained by the coupling model.Subsequently,an integrated compensation design based on the coupling model will be investigated to overcome the influence of of some structural factors on the antenna performance. This research can provide some theoretical and technical guidances for designing and manfacturing the structurally integrated antenna, and the proposed algorithm and hybrid modeling method can be also applied to data modeling of scientific and engineering experiments of other complicated mechanical and electrical system.

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，它即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。由于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，导致了现有方法难以满足其设计制造。本项目针对结构功能一体化天线的机电耦合机理问题，提出面向一类阵列天线结构因素对力电性能影响的混合建模方法，研究一种利用贝叶斯推理原理集成先验知识和多核函数的回归算法以提高小样本数据建模的准确性；利用提出的方法和算法，结合理论分析和试验数据建立服役载荷下结构因素对性能影响的机电耦合模型，获得其影响规律；在此基础上，构建基于耦合模型的综合补偿设计方法以补偿结构因素的影响，提高其力电性能。本项目研究可为结构功能一体化天线的设计制造提供理论指导，提出的方法和算法也可以应用到其它机电系统的科学研究和工程实验中。

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，它即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。由于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，导致了现有方法难以满足其设计制造。针对结构功能一体化天线的机电耦合问题，本项目主要开展了四个方面的研究：1）结构功能一体天线机电的混合建模研究；2）集成先验知识和多核函数的有限样本数据建模算法研究；3）基于机电耦合模型的结构功能一体天线补偿设计研究；4）试验样件研制与机理验证。. 经过三年的研究，本项目提出了一种面向微波装置机电耦合的混合建模方法，建立了动载荷下结构功能一体化天线的机电耦合模型，揭示了机械结构尺寸、动态载荷和裂纹缺陷对天线力电性能的影响机理；提出了集成先验知识的多核回归算法，以解决工程中实测数据样本量较少而又要求准确建模的问题；提出了一种结构功能一体化天线的机电协同设计方法。为了验证机电耦合模型的正确性，本项目研制了S频段（2.5GHz）无源结构功能一体化天线样件和动态试验装置。除此之外，研制成功了目前国内先进的Ka波段（30GHz）高密度有源结构功能一体化天线样机，其长宽厚分别为171 mm, 127 mm和 48 mm，重量不超过0.5公斤。该天线可应用到新一代战机、舰载和车载武器平台中，实现武器平台与卫星的通信和导航，其设计和制造技术也可以推广到5G移动通信中。. 迄今为止，本项目已发表SCI论文12篇，另有2篇已投稿的SCI论文处于修改后再审状态，2篇投稿的机械工程学报也处于修改后再审状态。论文主要发表在Smart Materials and Structures、Soft Computing、International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics、IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters等期刊上。授权发明专利4项，申请发明专利11项。项目负责人获得2015年陕西省科学技术奖一等奖(排名第6)，项目团队成员获得学术会议论文奖3次。本项目成果为新型结构功能一体化天线的设计制造提供理论指导，提出的方法也可以应用到其它机电系统的科学研究和工程实验中。