阵面微结构散热的共形承载天线机电耦合跨尺度设计

The Conformula Load Bearing Antenna Structure (CLAS) is a novel multifunctional aircraft structure (MAS) which combines structural and electrical functions to one structural component. For the problems in the design of CLAS, a novel CLAS with microstructure for heat dissipation on antenna array is proposed. Firstly, from the view of control equations of the three disciplines (mechanical structure, electromagnetism and heat transmission),the coupling factors among performances of the three disciplines are researched, the coupled structural-electromagnetic-thermal theory model of CLAS is proposed. Secondly, base on the coupled model, the influence mechanisms of structural factors (the size and distribution of the microstructure, thickness and material of the radome, the arrangement of the radiating elements in antennas array) on the performances of the three disciplines (mechanical structure, electromagnetism and heat transmission) are researched. Thirdly, a multidisciplinary optimization model is established via the coupled model and influence mechanism above. For the microstructure in the micro-scale, the radome's structure in the meso-scale and antenna array in the macro-scale, the connections of different scales are established by the equivalent of structure factors, then the cross scale design could be done for the novel CLAS, a electromechanical coupling design method is summarized. Finally, according to the results of coupled design, some exemplars are machined, and the performances of the three disciplines are tested. According to the experimental results, improve the coupled model, influence mechanism and design method.

共形承载天线（CLAS）是一种兼具天线电磁功能和结构承载功能的新型天线结构。本项目针对目前CLAS设计中存在的问题，提出一种阵面微结构散热的新型架构共形承载天线。首先，同时从电磁、结构和传热的三个学科的物理方程出发，找到影响三个学科功能特性的耦合因素，建立CLAS的机电热耦合的理论模型。其次，以耦合模型为基础，研究共形承载天线的主要结构因素（散热结构尺寸和布局、罩体的厚度、材料，天线阵面分布等）对功能特性（结构、电磁和热三个学科功能特性）的影响规律，挖掘影响机理。再次，利用耦合模型和影响机理建立多学科的综合优化模型，针对微观尺度的散热微结构、细观尺度的罩体结构以及宏观尺度的天线阵面，通过结构因素等效建立跨尺度的联系，开展具体结构设计，总结提炼机电耦合的设计方法。最后，根据设计结果，加工制作样件，进行实验测试，并依据实验结果修正耦合模型、完善影响机理、改进设计方法。

共形承载天线（CLAS）是一种兼具天线电磁功能和结构承载功能的新型天线结构。本项目针对目前CLAS设计中存在的问题，提出一种阵面微结构散热的新型架构共形承载天线。首先，同时从电磁、结构和传热的三个学科的物理方程出发，找到影响三个学科功能特性的耦合因素，建立了共形承载天线的机电热多场耦合的理论模型。其次，以耦合模型为基础，研究共形承载天线的主要结构因素（结构参数、材料特性以及制造缺陷）对主要功能特性（电性能、散热以及结构强度）的影响规律，挖掘影响机理。再次，利用前面的耦合模型和影响机理建立多学科的综合优化模型，开展由功能特性到结构因素的反设计。最后，针对样机开展多学科优化设计，根据设计结果，加工制作样件，搭建实验平台，开展实验测试，结果表明模型和机理正确有效，机电综合设计方案合理可行。在本项目支持下，项目组共计发表期刊论文25篇，其中SCI检索21篇，EI检索4篇，包括IEEE Trans. Antennas Propag. （TOP期刊，2018年IF=4.13，5篇），IEEE Antennas Wireless Propag. Lett.（2018年IF=3.45，6篇），IET MICROWAVES ANTENNAS & PROPAGATION（2018年IF=1.74，3篇）等天线领域的国际主流刊物。授权发明专利21项，含美国专利1项，许可使用专利4项。培养博士研究生1名，硕士研究生5名。部分研究成果获得2015年陕西省科学技术一等奖1项，项目负责人获得2017年“金山青年创新英才”荣誉称号。部分项目成果应用某型号飞机某通讯系统天线的研制中，取得良好效果。