多功能自由形超构天线罩的多物理场逆设计研究

本文提出了一种创新的多物理场逆设计策略，通过结合电磁（EM）伴随优化和结构力学（ME）的固体各向同性材料惩罚法（SIMP），实现了自由形超构天线罩（meta-radome）的同步电磁与力学性能优化。该研究在15 GHz频率下，使天线系统增益提升9.9 dB，同时结构可承受4400 N载荷，安全系数超过3，展示了其在5G/6G通信、雷达等高性能天线系统中的重要应用潜力。

　　

摘要

现代多功能天线系统对下一代无线通信至关重要。天线罩作为保护天线免受环境危害和电磁干扰的关键部件，其设计不仅要保证力学稳定性，还需具备特定的电磁响应。传统设计方法往往难以兼顾电磁透明性和结构强度，而随着超构材料的发展，能够同时优化电磁和力学性能的多功能超构天线罩成为研究热点。

引言

天线罩在保护天线系统方面具有重要作用，但其设计需要在电磁性能和力学性能之间取得平衡。近年来，研究者开始探索具有定制电磁响应的超构天线罩，如增益增强、波束成形等功能。然而，设计这类多功能结构面临多物理场耦合优化的挑战，需要同时考虑电磁和力学性能的竞争关系。本文提出了一种多物理场逆设计框架，通过结合电磁伴随优化和结构拓扑优化，实现高性能超构天线罩的快速设计。

超构天线罩设计技术综述

现有超构天线罩设计方法主要包括遗传算法（GA）、粒子群优化（PSO）、多准则决策（MCDM）等。这些方法虽然在一定程度上实现了多功能设计，但存在计算成本高、优化效率低等问题。相比之下，伴随优化方法具有更高的计算效率，能够快速收敛到最优解。本文提出的多物理场逆设计方法，通过结合电磁伴随优化和结构SIMP优化，实现了电磁和力学性能的同步优化。

多物理场伴随优化设置

本文采用的多物理场逆设计框架包括电磁伴随优化和结构SIMP优化两部分。电磁伴随优化通过计算前向场和伴随场的干涉，生成电磁梯度图，指导结构朝向目标电磁性能优化。结构SIMP优化则通过材料分布优化，最大化结构刚度。两种优化梯度通过加权组合，形成统一的设计更新策略。此外，引入二值化约束策略，确保最终设计可制造。

优化结果

通过多物理场逆设计，本文成功设计出一种自由形超构天线罩。优化过程中，结构从连续的梯度折射率材料分布逐渐演变为二值化结构，最终形成具有亚波长特征的多功能天线罩。仿真结果表明，该天线罩在15 GHz频率下，使天线系统增益提升9.9 dB，同时结构可承受4400 N载荷，安全系数超过3。制造和测试结果与仿真高度一致，验证了设计方法的有效性。

天线罩制造与测试

采用Stratasys Objet 260 3D打印机和VeroWhite树脂制造了优化后的天线罩结构。天线馈源由铝合金加工而成，表面覆盖吸波材料以抑制杂散辐射。远场测试结果显示，天线罩系统的实测增益为17.4 dBi，与仿真结果吻合良好，证明了设计方法的实用性和可靠性。

结论

本文提出的多物理场逆设计方法为高性能超构天线罩的设计提供了新思路。通过结合电磁和力学优化，实现了多功能结构的快速设计，为未来高性能天线系统的发展奠定了基础。该方法具有广泛的适用性，可进一步扩展至更复杂的电磁功能设计，如波束调控、频谱工程等。