机电-热耦合共形承载天线散射场建模及其雷达散射截面特性分析方法研究

《Micromachines》：Electromechanical–Thermal Coupling Modeling of Scattering Fields for Conformal Load-Bearing Antennas

　　

在服役过程中，共形承载天线（CLBAs）承受气动力与气动热载荷的耦合作用。由此引起的阵列表面几何畸变、单元指向偏转以及材料电磁参数的温度漂移，导致雷达散射截面（RCS）特性退化。为克服现有散射模型在统一描述上述多物理场耦合效应方面的局限性，本研究提出一种面向共形承载天线散射场的综合机电-热耦合建模方法。该方法通过引入单元级指向偏转与弯曲变形的几何修正、考虑温度相关天线效率的材料修正以及气动位移引起的相位修正，建立了从飞行条件到阵列RCS的完整映射。采用9×9圆柱共形阵列的验证结果表明，在±30°扫描范围内，模型计算结果与HFSS全波仿真的绝对误差小于1 dB，且法向RCS较平面阵列降低了14.97 dB。此外，研究人员构建了BP神经网络代理模型，实现了阵列物理场的精确预测。在0.20–0.65 Ma马赫数范围内的分析表明，结构变形是导致RCS畸变的主导因素，其中后缘阵列的RCS峰值增量呈现快速非线性增长，在0.65 Ma时达到7 dB。所提模型为复杂环境下共形天线隐身性能的快速评估提供了有效的理论工具。

# 共形承载天线散射场的机电-热耦合建模研究论文解读

## 一、研究背景与现存问题

共形承载天线（CLBAs）将射频功能与承载结构集成于一体，是下一代飞行器"结构-功能-隐身"一体化设计的关键使能技术。在服役过程中，机翼蒙皮长期承受气动力与气动热载荷的耦合作用，引发涉及流-固-热相互作用的多物理场效应，导致阵列表面几何畸变、阵元位移以及材料电磁参数随温度漂移。这些效应进一步加剧了共形载体曲率基板引起的单元排布非均匀与波束指向偏转等固有问题，最终导致共形承载天线的散射性能退化。

现有研究仍存在以下不足：(1) 多数研究仅考虑单一结构变形机制，尚未将气动压力引起的空间位移、载体曲率导致的指向偏转和温升引起的材料效率退化纳入统一理论框架；(2) 对共形载体固有几何畸变与服役热载荷叠加效应下散射场相位分布退化的物理机制缺乏深入解释，尤其对结构变形与热效应耦合作用的定量分析不足；(3) 现有散射模型依赖全波数值仿真作为中间步骤，尚未建立从飞行条件参数到RCS响应的解析快速映射路径。为此，研究人员提出一种综合机电-热耦合散射场建模方法。

## 二、研究内容与总体结论

研究人员通过逐步叠加的单元级几何修正（指向偏转与弯曲变形）、材料修正（温度相关天线效率）和相位修正（气动位移引起的相位误差），建立了从环境载荷到散射场RCS的完整求解路径，即共形承载天线机电-热耦合散射场模型。采用9×9圆柱共形阵列验证表明，在±30°扫描范围内模型计算与HFSS全波仿真绝对误差小于1 dB，法向RCS较理想平面阵列降低14.97 dB。在0.20–0.65 Ma范围内的分析表明，结构变形是RCS畸变的主导因素，温度效应次要但不可忽略，后缘阵列RCS峰值增量在0.65 Ma时达到7 dB。该研究首次建立了从飞行马赫数到阵列RCS的完整机电-热耦合映射模型，并通过BP神经网络代理模型显著降低了多物理场分析的计算时间，为复杂环境下共形天线隐身性能评估提供了有效理论工具。

## 三、关键技术方法

该研究主要采用以下技术方法：(1) 基于共形映射的几何畸变修正，采用表面法向量夹角计算单元指向偏转角，采用等效结构尺寸法将弯曲后的投影弦长等效替代物理结构尺寸；(2) 基于温度调制天线效率的材料修正，引入电导率和介质损耗角正切的温度依赖性修正导体与介质损耗品质因数；(3) 基于气动位移矢量的相位误差修正；(4) 以M-55高空侦察机机翼为研究对象，采用ANSYS Fluent求解稳态可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程配合SST k-ω湍流模型获得流场，经Workbench单向流固耦合将表面压力场与热流映射至ANSYS Mechanical结构网格进行求解；(5) 基于十个典型工况的10000组样本数据构建含四个隐藏层的BP神经网络代理模型，输入为马赫数与空间坐标，输出为节点位移与温度。

## 四、研究结果

### 4.1 机电-热耦合散射场模型的验证

采用附着于圆柱载体、表面呈中间隆起曲面的9×9矩形微带贴片共形阵列进行验证。阵列温度沿x轴恒定、沿y轴中心对称分布。将各单元位置坐标、弯曲变形、指向偏转和温度效率变化代入模型，计算散射方向图并与HFSS仿真对比。结果表明：±30°范围内峰值与零陷位置基本重合，绝对误差小于1 dB；共