结构功能一体化机翼天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种结构功能一体化机翼天线，包括：机翼骨架、机翼蒙皮、控制和信号处理系统，机翼蒙皮从上至下依次包括：上面板、上蜂窝/泡沫层、射频功能层、下蜂窝/泡沫层和下面板，下面板上铺设有光纤，每根光纤上每隔一段间距设置一个布拉格光栅；前述射频功能层包括：射频电路层、波控电路层和封装框架，射频功能层的内部制作有液冷通道；前述射频电路层包括由若干采用分布布局方式排列的天线子阵组成的天线阵面，天线子阵由若干微带辐射单元组成。本发明的有益之处在于：降低了机身重量，提高了飞行器的气动性能，散热好；能实时监测机翼结构的变形和强度，自动补偿结构振动和变形对电性能的影响，保证天线在恶劣环境下的电磁性能稳定性。
【专利说明】结构功能一体化机翼天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机翼天线，具体涉及一种结构功能一体化机翼天线，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。与传统天线对比，结构功能一体化机翼天线具有结构/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，能够有效地减轻飞行器的重量和保持飞行器良好的气动外形。
[0003]结构功能一体化机翼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。
[0004]在相关的研究中，NASA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。该研究在公开文献“Structurally Integratedantenna concepts for hale UAVS.NASA Report-2006-214513.Langley ResearchCenter, Virginia, 2006:23681-2199”(结构一体化无人飞行器天线概念.NASA研究报告-2006-214513.兰利研究中心，弗吉尼亚，23681-2199)中有报导。
[0005]波音公司研制了集成X波段微带天线阵列的蜂窝夹层机翼结构，该研究在公开文献“Urcia M, Banks D.Structurally integrated phased arrays.201IIEEE AerospaceConference, Big Sky, MT, United states, 2011:1-8.，，(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。
[0006]国内的西北工业大学提出了一种将微带天线预封装后嵌入到复合材料夹层结构的新构型，该构型能够实现天线阵列与机体结构的共形。该研究在公开的发明专利“谢宗蕻，赵伟，张朋，李磊.一种新型嵌入式复合材料智能蒙皮天线结构，申请时间:2010-6-10,专利国另Ij:中国，专利申请号:201010197298.1”有报道。
[0007]国内外已经公开了把微带天线阵嵌入到机翼结构中的技术方案，但是，现有技术还存在以下不足之处:
[0008]1、现有的文献所公开的技术方案中，仅给出把微带天线阵集成到机翼结构中的方法，然而，没有说明天线在机翼结构中的布局方式、射频信号连接方式以及制作方法。
[0009]2、由于微带天线高度集成到机翼结构，在天线工作时，射频器件会发热，导致天线辐射性能降低，甚至完全失效。现有的文献并没有给出降低天线温度的结构设计方法。
[0010]3、在服役过程中，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。这些现象在NASA和波音公司的报告中已经提到，然而，他们却没有提出一种有效的结构来补偿结构的振动和变形对电磁性能的影响。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于提供一种新颖的集成微带天线阵列和光纤光栅的结构功能一体化机翼天线，其不仅能够降低机身重量，而且能够实现机翼结构振动和变形的实时检测和电性能补偿，同时能有效降低由于高密度集成带来的天线散热问题。
[0012]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案:
[0013]一种结构功能一体化机翼天线，包括:机翼骨架和覆盖前述机翼骨架的机翼蒙皮，其特征在于，
[0014]前述机翼骨架包括:平行排列的若干翼肋，穿过并连接前述翼肋的空心三角形翼梁，安装在前述翼肋前端的机翼前缘，以及安装在前述翼肋后端的机翼后缘；
[0015]前述机翼蒙皮为复合结构，从上至下依次包括:上面板、上蜂窝/泡沫层、射频功能层、下蜂窝/泡沫层和下面板；前述下面板在与下蜂窝/泡沫层接触的界面处铺设有若干光纤，前述光纤与翼肋平行，每根光纤上每隔一段间距设置一个布拉格光栅；
[0016]前述射频功能层包括:位于上层的射频电路层，位于下层的波控电路层，以及封装框架，前述射频电路层与波控电路层之间使用插针连接；前述射频功能层的内部制作有液冷通道；
[0017]前述射频电路层为复合结构，最上层为天线阵面，前述天线阵面由若干天线子阵组成，前述天线子阵由若干微带辐射单元组成，前述天线子阵采用分布布局方式排列，天线子阵中的每个微带辐射单元均镀有一层铜；
[0018]结构功能一体化机翼天线还包括:控制和信号处理系统，前述控制和信号处理系统安装在前述翼梁的空心中，每个天线子阵中的控制信号、光纤的测量信号均统一到前述控制和信号处理系统进行集中处理，前述控制和信号处理系统还向前述波控电路层提供控制信号。
[0019]前述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，前述射频电路层还包括:位于天线阵面下方的T/R电路层，位于T/R电路层下方的功分电路层，前述T/R电路层和功分电路层分别通过低频线、高频线与波控电路层信号连接。
[0020]前述的结构功能一体化机翼天线,其特征在于,前述天线阵面中的微带福射单元与T/R电路层之间采用微带天线-同轴-微带线或微带天线-耦合小孔-微带线的连接结构互联实现电信号连接。
[0021]前述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，前述T/R电路层与功分电路层之间采用微带线-同轴-带状线或微带线-同轴一带状线的垂直互联方式实现电信号连接。
[0022]前述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，前述液冷通道由:若干平行设置的微通道、分别设置在前述微通道两端的液体出口腔和液体入口腔、分别与前述液体出口腔和液体入口腔连通的液冷通道出口和液冷通道入口组成；前述液冷通道出口和液冷通道入口穿过前述波控电路层，并且联接外部的液压回路。
[0023]前述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，前述微通道呈矩形。
[0024]前述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，前述微通道的长和宽分别为0.1mm和 0.5mm。
[0025]前述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，前述射频电路层由低温共烧陶瓷材料烧结制造成型。
[0026]前述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，前述波控电路层由玻璃纤维环氧树脂覆铜板制造而成。
[0027]前述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，前述微带辐射单元呈矩形或者圆形。
[0028]本发明的有益之处在于:
[0029]1、本发明的结构功能一体化机翼天线，其既可以作为飞行器机翼，也可以作为收发天线，其不仅去除了大量外置天线及安装底座，降低了机身重量，提高了飞行器的气动性能，而且天线子阵采用分布布局方式排列，更增加了天线孔径。
[0030]2、本发明的结构功能一体化机翼天线，其结构中嵌入了光纤和布拉格光栅，不仅能够实时监测机翼结构的变形和强度，实现机翼结构的健康监控，而且，通过对光纤和布拉格光栅的测试数据的信号处理可以自动补偿结构振动和变形对电性能的影响，保证天线在恶劣服役环境下的电磁性能稳定性。
[0031]3、本发明的结构功能一体化机翼天线，其结构中设计了微通道结构，通过热传导方式、利用微通道中的液体把射频功能层器件的热量带走，降低了由于高密度集成带来的微带天线阵面温度导致天线性能降低或失效的弊端。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是本发明的结构功能一体化机翼天线的组成结构示意图；
[0033]图2是图1中的机翼天线的总装效果图；
[0034]图3是图2中的机翼骨架图；
[0035]图4是图2中的机翼蒙皮图；
[0036]图5是图4中嵌入的微带天线阵布局示意图；
[0037]图6是图4中的机翼蒙皮的剖视图；
[0038]图7是图6中的机翼蒙皮的分解示意图；
[0039]图8是图7中的下面板结构的组成示意图；
[0040]图9是射频功能层上表面的微带天线阵面示意图；
[0041]图10是射频功能层内部的液冷通道示意图；
[0042]图11是射频功能层的电连接关系不意图；
[0043]图12是图7中的矩形微带辐射单元几何结构图；
[0044]图13是图7中的圆形微带辐射单元几何结构图；
[0045]图14是图7中的微带天线口径耦合馈电连接几何结构图。
[0046]图中附图标记的含义:101-机翼前缘，102-机翼后缘，103-翼肋，104-翼梁，105-上蒙皮，106-下蒙皮，107-控制和信号处理系统，301-上面板，302-上蜂窝/泡沫层，303-封装框架，304-射频电路层，305-液冷通道，306-波控电路层，307-下蜂窝/泡沫层，308-下面板，309-微带辐射单元，310-光纤，311-布拉格光栅，401-微通道，402-液体出口腔，403-液冷通道出口，404-液冷通道入口，405-液体入口腔，601-T/R电路层，602-功分电路层，603-天线阵面，801-馈电点，802-介质板，803-接地平面，804-同轴馈电接口，805-耦合小孔，806-馈电微带线。【具体实施方式】
[0047]以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0048]参照图1、图2和图3，本发明的结构功能一体化机翼天线，包括:机翼骨架、机翼蒙皮、控制和信号处理系统107。机翼蒙皮覆盖在机翼骨架外面，机翼蒙皮根据覆盖机翼骨架的位置区分为:上蒙皮105和下蒙皮106，二者结构完全相同。下面分别介绍机翼骨架、机翼蒙皮的结构，以及控制和信号处理系统107。
[0049]参照图1、图2和图3，机翼骨架包括:翼肋103、翼梁104、机翼前缘101和机翼后缘102。翼肋103设置有若干个，并且平行排列；翼梁104呈三角形，并且为空心结构，该空心结构用于放置控制和信号处理系统107，翼梁104穿过翼肋103，起到连接翼肋103的作用；机翼前缘101安装在翼肋103的前端，机翼后缘102安装在翼肋103的后端。
[0050]参照图4至图7，机翼蒙皮为复合结构，从上至下依次包括:上面板301、上蜂窝/泡沫层302、射频功能层、下蜂窝/泡沫层307和下面板308。上面板301和下面板308用于实现力学承载功能，上蜂窝/泡沫层302和下蜂窝/泡沫层307用于实现隔热防护功能，射频功能层主要实现电磁信号的收发功能。上面板301与上蜂窝/泡沫层302之间、下面板308与下蜂窝/泡沫层307之间优选采用粘接的方式连接，上面板301与下面板308优选采用碳纤维复合材料制成，或者采用玻璃纤维复合材料制成。其中，参照图8，下面板308在与下蜂窝/泡沫层307接触的界面处铺设有若干光纤310，光纤310与翼肋103平行，每根光纤310上每隔一段间距设置一个布拉格光栅311。光纤310和布拉格光栅311能够实时检测机翼结构变形的应变，实现对机翼结构的智能监控，并且光纤310的测量信号经过控制和信号处理系统107的算法处理后，可以自动补偿结构振动和变形对电性能的影响，保证天线在恶劣服役环境下的电磁性能稳定性。
[0051]参照图7，射频功能层包括:射频电路层304、波控电路层306以及封装框架303。其中，射频电路层304位于上层，波控电路层306位于下层，射频电路层304与波控电路层306之间使用插针连接，射频电路层304能够实现电磁信号的传输和辐射功能，波控电路层306能够实现波束控制、信道和电源控制等功能。射频电路层304优选才有低温共烧陶瓷材料烧结制造成型。波控电路层306优选采用玻璃纤维环氧树脂覆铜板制造而成。封装框架303采用粘接工艺实现射频功能层与上面板301、上蜂窝/泡沫层302、下面板308、下蜂窝/泡沫层307的连接，封装框架303 —方面保护了射频功能层的电路，另一方面提供了射频功能层所需要的接地需要。射频功能层的内部制作有液冷通道305、还埋设有芯片，液冷通道305是在射频电路层304内部制作的微型矩形通道，用于对射频功能层内的组件冷却、散热，以保证射频功能层工作需要的温度。
[0052]参照图10，液冷通道305由:微通道401、液体出口腔402、液体入口腔405、液冷通道出口 403和液冷通道入口 404组成。微通道401有若干条，并且平行设置；液体出口腔402和液体入口腔405分别设置在微通道401的两端，二者起到缓存液体的功能；液冷通道出口 403与液体出口腔402连通，液体入口腔405和液冷通道入口 404连通，同时，液冷通道出口 403和液冷通道入口 404穿过波控电路层306，并且联接外部的液压回路。
[0053]本发明的结构功能一体化机翼天线，其结构中设计了微通道401结构，通过热传导方式、利用微通道401中的液体把射频功能层器件的热量带走，降低了由于高密度集成带来的微带天线阵面603温度导致天线性能降低或失效的弊端。
[0054]作为一种优选的方案，微通道401呈矩形，其长和宽分别优选为0.1mm和0.5mm。
[0055]参照图7和图11，射频电路层304为复合结构，最上层为天线阵面603。天线阵面603由若干天线子阵组成，天线子阵采用分布布局方式排列，如图5所示，依次为子阵A、子阵B、子阵C、子阵D、……、子阵T ;每个天线子阵由若干微带辐射单元309组成，微带辐射单元309是在射频功能层表面利用丝网印刷工艺镀微波电路形成的，每个微带辐射单元309均镀有一层铜，从而实现电信号的辐射和传输。如图9所示，微带辐射单元309依据设计指标和安装空间来布置，从而形成天线子阵。
[0056]参照图11，射频电路层304还包括:T/R电路层601(即射频信号收发层，其上有射频信号收发组件，液冷通道305主要是对T/R电路层601中的射频信号收发组件进行冷却、散热)和功分电路层602(即功率分配/合成网络层)。T/R电路层601位于天线阵面603的下方，功分电路层602位于T/R电路层601的下方。其中，天线阵面603中的微带辐射单元309通过微带天线-同轴-微带线的连接结构与T/R电路层601实现电信号连接，T/R电路层601与功分电路层602通过微带线-同轴-带状线或微带线-同轴-带状线的垂直互联方式实现电信号连接，T/R电路层601和功分电路层602又分别通过低频线、高频线与波控电路层306信号连接。
[0057]作为一种优选的方案，参照图11，微带辐射单元309与T/R电路层601之间采用微带天线-同轴-微带线的垂直互联结构；T/R电路层601与功分电路层602之间采用微带线-同轴-带状线的垂直互联结构。
[0058]在本发明中，微带辐射单元309呈矩形。如图9和图12所示，微带辐射单元309的长边为a、宽边为b，该微带辐射单元309是利用覆铜板生产工艺在厚度为h的介质板802上表面处制作的导电贴片，并且，微带辐射单元309中的馈电点801是通过同轴馈电接口 804与T/R电路层601实现电磁信号的连接，介质板802的底面为接地平面803。
[0059]作为一种替代的方案，微带辐射单元309呈圆形。如图13所示，微带辐射单元309的半径为r，其上设置有馈电点801，其他结构同上，不再赘述。
[0060]作为一种替代的方案，微带辐射单元309与T/R电路层601不使用微带天线_同轴-微带线的连接结构，而是使用微带天线-耦合小孔-微带线的连接结构，如图14所示。该馈电方式利于位于下层介质板802中的下表面中印刷的馈电微带线806实现T/R电路层601与耦合小孔805的电磁信号连接，并通过耦合小孔805把电磁信号耦合到辐射单元309以实现电磁信号的辐射或接收。上层介质板使用低介电常数以利于电磁辐射，下层介质板使用高介电常数，以利于将场约束在馈电微带线806上。
[0061]参照图3和图11，控制和信号处理系统107安装在翼梁104的空心中。每个天线子阵中的控制信号、光纤310的测量信号均统一到该控制和信号处理系统107进行集中处理，同时，控制和信号处理系统107还向波控电路层306提供控制信号，控制和信号处理系统107与波控电路层306之间使用线缆连接。
[0062]综上所述，本发明的结构功能一体化机翼天线，其既可以作为飞行器机翼，也可以作为收发天线，不仅去除了大量外置天线及安装底座，降低了机身重量，提高了飞行器的气动性能，而且分布式的天线阵列布置方式更增加了天线孔径；同时，通过光纤310、布拉格光栅311测试数据的处理可以自动补偿结构振动和变形对电性能的影响，保证天线在恶劣服役环境下的电磁性能稳定性；此外，射频功能层中设计的微通道401通过其内的液体可以把器件热量带走，降低了高密度集成器件温度过高导致天线性能降低或失效的弊端。[0063] 需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种结构功能一体化机翼天线，包括:机翼骨架和覆盖所述机翼骨架的机翼蒙皮，其特征在于， 所述机翼骨架包括:平行排列的若干翼肋(103)，穿过并连接所述翼肋(103)的空心三角形翼梁(104)，安装在所述翼肋(103)前端的机翼前缘(101 )，以及安装在所述翼肋(103)后端的机翼后缘(102)； 所述机翼蒙皮为复合结构，从上至下依次包括:上面板(301)、上蜂窝/泡沫层(302)、射频功能层、下蜂窝/泡沫层(307)和下面板(308);所述下面板(308)在与下蜂窝/泡沫层(307)接触的界面处铺设有若干光纤(310)，所述光纤(310)与翼肋(103)平行，每根光纤(310)上每隔一段间距设置一个布拉格光栅(311)； 所述射频功能层包括:位于上层的射频电路层(304)，位于下层的波控电路层(306)，以及封装框架(303)，所述射频电路层(304)与波控电路层(306)之间使用插针连接；所述射频功能层的内部制作有液冷通道(305)； 所述射频电路层(304)为复合结构，最上层为天线阵面(603)，所述天线阵面(603)由若干天线子阵组成，所述天线子阵由若干微带辐射单元(309)组成，所述天线子阵采用分布布局方式排列，天线子阵中的每个微带辐射单元(309)均镀有一层铜； 结构功能一体化机翼天线还包括:控制和信号处理系统，所述控制和信号处理系统安装在所述翼梁(104)的空心中，每个天线子阵中的控制信号、光纤(310)的测量信号均统一到所述控制和信号处理系统进行集中处理，所述控制和信号处理系统还向所述波控电路层(306)提供控制信号。
2.根据权利要求 1所述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，所述射频电路层(304)还包括:位于天线阵面(603)下方的T/R电路层(601)，位于T/R电路层(601)下方的功分电路层(602)，所述T/R电路层(601)和功分电路层(602)分别通过低频线、高频线与波控电路层(306 )信号连接。
3.根据权利要求2所述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，所述天线阵面中的微带福射单元(309)与T/R电路层(601)之间采用微带天线-同轴-微带线或微带天线-率禹合小孔-微带线的连接结构互联实现电信号连接。
4.根据权利要求3所述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，所述T/R电路层(601)与功分电路层(602)之间采用微带线-同轴-带状线或微带线-同轴-带状线的垂直互联方式实现电信号连接。
5.根据权利要求1所述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，所述液冷通道(305)由:若干平行设置的微通道(401)、分别设置在所述微通道(401)两端的液体出口腔(402)和液体入口腔(405)、分别与所述液体出口腔(402)和液体入口腔(405)连通的液冷通道出口(403)和液冷通道入口(404)组成；所述液冷通道出口(403)和液冷通道入口(404)穿过所述波控电路层(306 )，并且联接外部的液压回路。
6.根据权利要求5所述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，所述微通道(401)呈矩形。
7.根据权利要求6所述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，所述微通道(401)的长和宽分别为0.1mm和0.5mm。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的结构功能一体化机翼天线,其特征在于,所述射频电路层(304)由低温共烧陶瓷材料烧结制造成型。
9.根据权利要求1至7任意一项所述的结构功能一体化机翼天线，其特征在于，所述波控电路层(306 )由玻璃纤维环氧树脂覆铜板制造而成。
10.根据权利要求1至7任意一项所述的结构功能一体化机翼天线,其特征在于,所述微带辐射单元(309)呈矩形 或者圆形。
【文档编号】B64C3/00GK103887605SQ201410135872
【公开日】2014年6月25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, 何庆强, 保宏, 李明, 黄进, 陈光达, 王从思, 宋立伟 申请人:西安电子科技大学