嵌入式智能蒙皮天线的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种嵌入式智能蒙皮天线，由光纤传感网络层（2）、可重构子阵（3）、薄膜TR子阵（4）、可重构馈电网络（5）、和控制与功能维护模块（6）组成。光纤传感网络层与可重构子阵共体相连，并与薄膜TR子阵（4）、可重构馈电网络顺次平行叠层排列，共同在端向并联控制与功能维护模块。控制与功能维护模块根据终端主控设备（7）的用户需求，发送控制指令给可重构子阵、薄膜TR子阵、和可重构馈电网络，实现嵌入式智能蒙皮天线的工作状态自诊断、天线电性能可重构，确保了嵌入式智能蒙皮天线的电性能，避免了传统阵列天线在部分子阵损坏后性能下降或无法再用的缺陷。本发明还解决了传统相控阵天线在θ≥45°，的大扫描角度上阵列增益损失过大的缺陷。
【专利说明】嵌入式智能蒙皮天线
【技术领域】
[0001]本发明属于电子【技术领域】，特别涉及智能蒙皮天线技术和阵列天线技术。
【背景技术】
[0002]由于天线通信功能的日益增加，一种叫做“智能蒙皮”的天线在法国正在开发之中。智能蒙皮技术是材料、生物、光电技术、自动控制和计算机工程等多学科综合集成的一项新技术。智能材料是一种能感知外部刺激、能够判断并适当处理、而且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。智能蒙皮是将不同种类的复合材料压成薄片而成，获得先进的电学和结构特性。通过比较试验，这种新型结构和材料制作的天线与F/A18上的标准天线相比，其通信距离提高了 5倍，空空和空地传播的质量得到改进。P.aratault等人在1993年发表白勺文献 “fevolution des antennes pour radars aeroportes de la parabole aus peauxactives” (Revised Technology, Thomson-CSF)中首次提出了这种智能蒙皮天线的设想。在此之后，L.Josefsson教授在1999年发表的文献“Smart skins for the future”(RVK99, Karlskrona, Sweden)中进一步完善了该智能蒙皮天线设想，该天线构造了一个完整的射频系统，不仅包括辐射单元，还包含馈电网络、放大器、电子控制、功率分布、冷却、滤波器等部件，这些部件全部集成在一个可以裁减成各种形状的多层异质材料结构之中。遗憾的是，P.Baratault和L.Josefsson等人提出的智能蒙皮天线在智能化设计方面主要采用后端信号处理的方式实现有源子阵的收发、完成天线波束的自适应，这种设计方式承袭了传统相控阵天线的设计理念，在电性能设计上没有实质性的提升。J.Bartley-Cho等人在 1999 年也发表了文献 “Development and testing of a conformal load-bearingsmart skin antenna structure，， (Published by American Institute of Aeronauticsand Astronautics),报道了诺斯罗普-格鲁门公司的共形承载智能蒙皮螺旋天线。该螺旋天线由飞机蒙皮外表面、辐射单元、介质层、隔离层、吸收层和吸收盘组成，具有直接承载外部环境载荷的能力，能工作在0.15GHz?2GHz的带宽内，可支持通信、导航、识别和电子战设备工作。然而，该螺旋天线是单天线工作模式，无法通过后端信号处理的方式实现天线波束的自适应，完成辐射方向图的可重构，实现天线电性能的智能化。2008年，S.H.Son等人发表的文献 “Development of a smart-skin phased array system with a honeycombsandwich microstrip antenna，，(Smart Materials and Structures)报道了智倉泛蒙皮才目控阵天线的设计方法。该智能蒙皮相控阵天线的辐射单元被嵌入到一个有机的蜂窝夹层结构之中，由上下两层介质、上层贴片、下层贴片、和蜂窝夹层组成，下层贴片采用同轴转换成微带传输线进行馈电，通过耦合激励蜂窝夹层上面的上层贴片，实现了宽带微带贴片天线的设计；将16个宽带微带贴片天线按单元间距0.55波长进行线阵排列，实现了智能蒙皮天线的天线阵面的蒙皮化设计；采用4位数字移相器，实现了相控阵天线波束的±45度扫描。该相控阵天线的缺点是TR组件和馈电网络均没有采用瓦片式设计方法，无法完成天线阵面、TR组件和馈电网络的嵌入式蒙皮设计；在电性能方面，采用了传统相控阵天线的设计方法，会出现在扫描角度大于±45度的条件下增益损失过大的缺陷。更为重要的是，该相控阵天线不能根据外界电磁环境变化，完成相控阵天线的电性能可重构，无法做到智能化。2013年,R.Kilaru等人发表的文献“NiCr MEMS tactile sensors embedded in polyimidetoward smart skin，，(Journal of Microelectromechanical Systems)报道了角虫石並式传感器在聚酰亚胺材料里面的设计技术。该传感器层埋在聚酰亚胺材料里面，通过镍铬微机电开关实施工作，可感触外界载荷应力的变化，该文献重点研究了触碰式传感器的设计、构造、以及封装工艺，探讨了触碰式传感器的特性和实现功能。遗憾的是，该文献没有报道触碰式传感器、天线、和蒙皮材料的层埋设计技术，更没有给出如何根据外界电磁环境变化实现天线的自诊断和电性能可重构。
[0003]综上所述，如何实现智能蒙皮天线在扫描角度大于±45度的条件下增益损失小，并且能够根据外界电磁环境的变化，实现天线工作状态自诊断、天线电性能可重构，做到智能化，目前还没有确定的设计方法。在现有的飞行器上，雷达和通讯系统的天线往往以刀形或者雷达罩包覆的形式突出于机体表面，天线由于大量凸显于飞行器平台表面而影响飞机的气动/隐身性能，既破坏了飞行器理想的气动外形，增大了气动阻力及雷达信号表征，又
提高了飞行器制造和系统维护的成本。传统相控阵天线在9≥45°，货=Oe-SCOlj的大扫
描角度上阵列增益损失过大，性能严重下降；传统相控阵天线在部分子阵损坏后性能下降或无法再用。传统天线的独立安装模式和在机身表面不同位置开孔，会导致航空飞行器电子设备集成水平低、机体过大、空中待命时间短、生存力低、机体结构修理与维护成本高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针 对上述现有技术存在的不足之处，提供一种能够提升智能蒙皮天线的智能化，降低智能蒙皮天线设计成本，并能避免传统相控阵天线在0 >45° ,
^=0°~360°的大扫描角度上阵列增益损失过大的智能蒙皮天线。
[0005]本发明的上述目的可以通过以下方式来达到:一种嵌入式智能蒙皮天线，包括嵌入在蒙皮材料I里的可重构子阵3、薄膜TR子阵4、可重构馈电网5和控制与功能维护模块6，其特征在于:每个应力传感器8紧贴在每个可重构子阵3的几何中心位置上面，通过纵向和横向光纤线9连接在一起构成外界信息感知的光纤传感器网络层2 ;可重构子阵3由可重构天线单元10按工作频率半波长为单元间距，以4X4阵列规模按矩形栅格阵布阵组成；光纤传感网络层2与可重构子阵3共体相连，并与薄膜TR子阵4、可重构馈电网络5顺次平行叠层排列，端向连接控制与功能维护模块6 ;光纤传感器网络层2感知飞行器蒙皮表面的应力变化，应力传感器8给出一个载荷应力信号电平值传递给控制与功能维护模块6，控制与功能维护模块6然后对可重构子阵3的损坏情况进行判断，当载荷应力信号电平值小于Ptl时，可重构子阵3正常工作，否则损坏，从而完成对可重构馈电网络5的工作状态控制，其中Ptl是可重构子阵3接受外界环境载荷时损坏的载荷应力临界值；同时，控制与功能维护模块6根据终端主控设备7发送的控制指令对嵌入式智能蒙皮天线的可重构子阵3进行控制，完成可重构天线单元10在某个特定扫描区域的方向图可重构；在上述基础上，控制与功能维护模块6根据终端主控设备7的用户需求，同时发送控制指令对嵌入式智能蒙皮天线的薄膜TR子阵4进行控制，完成智能蒙皮天线的波束扫描；通过上述实施方式，最终实现智能蒙皮天线的工作状态自诊断、天线电性能可重构、智能化。
[0006]本发明相比与现有技术具有如下有益效果。
[0007]本发明可根据光纤传感器网络层2感知航空飞行器蒙皮表面的应力变化，从而确定嵌入式智能蒙皮天线在航空飞行器执行任务过程中是否受到损坏，并把信息传递给控制与功能维护模块6 ;控制与功能维护模块6根据终端主控设备7发送的指令需求，完成对嵌入式智能蒙皮天线的可重构馈电网络5的控制，通过控制可重构馈电网络5的光导开关35的工作状态，进行故障隔离，同时启用冗余设计的其它可重构子阵3以及与之对应的薄膜TR子阵4，确保嵌入式智能蒙皮天线的电性能，避免了传统阵列天线在部分子阵损坏后性能下降或无法再用的缺陷，实现了智能蒙皮天线的工作状态自诊断、电性能动态可重构的目的。
[0008]本发明提供的嵌入式智能蒙皮天线提出了可重构天线单元10，可实现8个状态单元方向图可重构，它的方向图波束指向沿着y轴(炉=90e )的方向，最大波束指向
0=30° ;其它工作状态依次类推，总共可重构8个状态，可以共同完成上半空间0 =0°~60° ,史=01-360*1的宽角覆盖。与传统微带天线单元相比，可重构天线单元10在
0≥45°，P=Oa ~360e的宽角度上增益提升不小于3dB，根据阵列远场叠加原理，可使嵌入式智能蒙皮天线的增益在大扫描角度上平均提高约3dB左右，进而避免了传统相控阵天线在0≥45° , #=O0~36Oe的大扫描角度上阵列增益损失过大的缺陷。
[0009]本发明与传统相控阵天线相比，在大扫描角度上如果要确保相同的阵列增益，嵌入式智能蒙皮天线的阵列单元数可以减少50%左右，减小了嵌入式智能蒙皮天线的设计规模，降低了嵌入式智能蒙皮天线的设计成本。因为嵌入式智能蒙皮天线与传统相控阵天线采用相同阵列规模时，嵌入式智能蒙皮天线在大扫描角度上增益提升不小于3dB。
[0010]本发明将传统的飞行器天线相对分离的结构，天线阵面、TR组件、馈电网络等电磁独立功能组件高度集成并与飞行器蒙皮材料融合成型，避免了传统天线的独立安装模式和在飞行器表面不同位置开孔，会导致航空飞行器电子设备集成水平低、机体过大、空中待命时间短、生存力低、机体结构修理与维护成本高的缺陷。
[0011]本发明与航空飞行器的嵌入式设计，避免了传统天线由于大量凸显于飞行器平台表面而影响飞行器的气动/隐身性能，除去了天线与飞行器蒙皮的支撑连接结构和伺服系统，降低了飞行器的重量、复杂性、以及占用空间。
[0012]本发明采用在蒙皮里层埋光纤传感网络层技术，可根据外界电磁环境变化，完成嵌入式智能蒙皮天线的自诊断，为嵌入式智能蒙皮天线的智能化提供了必要的手段。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1本发明嵌入式智能蒙皮天线构造示意图。[0014]图2是图1光纤传感网络层2与可重构子阵3的局部布阵示意图。
[0015]图3是图1能重构八个状态的可重构天线单元10的示意图。
[0016]图4是图1可重构天线单元10与传统微带天线单元的增益比较图。
[0017]图5是图1薄膜TR子阵4组成示意图。
[0018]图6是图1可重构馈电网络5局部示意图。
[0019]图7是图1控制与功能维护模块6组成示意图。
[0020]图中:I蒙皮材料，2光纤传感网络层，3可重构子阵，4薄膜TR子阵，5可重构馈电网络，6控制与功能维护模块，8应力传感器，9光纤线，10可重构天线单元，11、12、13、14、15、16、17、18蝶形辐射臂，19、20、21、22、23、24、25、26光导开关，27耦合馈电环，28同轴馈电探针，29引向环，30同轴连接器，31收发多功能薄膜芯片，32等功分网络，33同轴馈电探针，34功分器支路端口，35光导开关，36微带功分器，37功分器合路端口，38健康检测模块，39功能维护模块，40可重构子阵控制模块，41波束控制模块，42可重构网络控制模块。
【具体实施方式】
[0021]如图1所示，嵌入式智能蒙皮天线嵌入在航空飞行器某个区域表面的蒙皮材料I的里面，由光纤传感网络层2、可重构子阵3、薄膜TR子阵4、可重构馈电网络5、以及控制与功能维护模块6组成，共同构成嵌入式智能蒙皮天线。光纤传感网络层2与可重构子阵3共体相连，并与薄膜TR子阵4、可重构馈电网络5顺次平行叠层排列，共同在端向并联控制与功能维护模块6。光纤传感器网络层2感知飞行器蒙皮表面的应力变化，并把载荷应力信号电平值传递给控制与功能维护模块6，当载荷应力信号电平值小于Ptl时，可重构子阵3正常工作，否则损坏，其中Ptl是可重构子阵3接受外界环境载荷时损坏的载荷应力临界值，从而完成对可重构子阵3的损坏情况的判断，实现对可重构馈电网络5的工作状态控制，启用冗余设计，确保嵌入式智能蒙皮天线的电性能；同时，控制与功能维护模块6根据终端主控设备7的用户需求，发送控制指令对可重构子阵3进行控制，实现嵌入式智能蒙皮天线的
增益在大扫描角度上平均提高3dB左右，避免传统相控阵天线在0 >45°，炉=0e~360a
的大扫描角度上阵列增益损失过大的缺陷；在上述基础上，控制与功能维护模块6根据终端主控设备7的用户需求，同时发送控制指令对薄膜TR子阵4进行控制，完成智能蒙皮天线的波束扫描；通过上述实施方式，最终实现智能蒙皮天线的工作状态自诊断、天线电性能可重构、智能化。
[0022]参阅图2。光纤传感网络层2由应力传感器8和光纤线9构成，紧贴在若干可重构子阵3的上面。可重构子阵3可以由4X4阵列规模的可重构天线单元10组成。可重构子阵3按矩形栅格阵布阵，阵列单元间距取为工作频率的半波长。每个应力传感器8设置在每个可重构子阵3的几何中心位置上面，通过纵向和横向光纤线9连接在一起，构成外界信息感知的光纤传感器网络层2。当嵌入式智能蒙皮天线正常工作时，每个参与工作的可重构子阵3上面的应力传感器8将传输一个小于载荷应力临界值Ptl的信号电平值。当参与工作的某个可重构子阵3上面的应力传感器8传输出一个大于Ptl的信号电平值时，说明该可重构子阵3损坏，不再参与工作。
[0023]参阅图3。可重构天线单元10采用微带天线理论进行设计，目标是实现波束指向偏离微带天线法向30度方向，能在“米”字形剖面重构8个状态相同/相近的方向图。本实施例中，可重构天线单元10具有一个同心于同轴馈电探针28的耦合馈电环27和引向环29 ;8个结构尺寸相同的、开有相同圆孔的蝶形辐射臂11、12、13、14、15、16、17、18呈辐射状均匀分布在微带介质基片上表面，它们的中心线相交于同轴馈电探针28的圆心；蝶形辐射臂11、12、13、14、15、16、17、18上的圆孔大小和放置位置可调整可重构天线单元10的谐振频率点，可根据实际工作需要进行取值。光导开关19、20、21、22、23、24、25、26的一端连接于8个结构尺寸相同的蝶形辐射臂11、12、13、14、15、16、17、18上，另一端共同连接在耦合馈电环27上，并且8个光导开关19、20、21、22、23、24、25、26取相同的器件型号。耦合馈电环27与垂直穿过微带介质基片的同轴馈电探针28形成耦合激励，并将能量导入其中工作的蝶形辐射臂11、12、13、14、15、16、17、18中，引向环29可将方向图波束指向引向偏离可重构天线单元10的法向30°方向，完成方向图可重构。在每一个方向图可重构状态中，任意连续3个光导开关导通，其它5个光导开关截止，可使方向图波束指向偏离可重构天线单元10的法向30°方向。例如当光导开关20、21、22导通，其它5个光导开关截止，此时可重构
天线单元10的方向图波束指向沿着X轴(P=Ocl )的方向，最大波束指向为0 = 30° ;当
光导开关19、20、21导通，其它5个光导开关截止，此时可重构天线单元10的方向图波束指
向沿着炉=45e的方向，最大波束指向为0 =30° ;当光导开关19、20、26导通，其它5个光
导开关截止，此时可重构天线单元10的方向图波束指向沿着y轴(供=9# )的方向，最大波束指向为9 =30° ;其它工作状态依次类推，总共可在“米”字形剖面重构8个状态相同/相近的方向图，共同完成上半空间9 = 0°~60° ,炉=0e~360'3的宽角覆盖。与传统微
带天线单元相比，可重构天线单元10在0≥45°，炉=Og-36011的宽角度上增益提升不小
于3dB，如图4所示，该图表明传统微带天线单元的增益最大值在法向0 0°方向，会导致在宽角度范围e = 0°~60°内，单元增益典型值从约4.5dB下降到约-ldB，而可重构天线单元10的增益最大值可重构在偏离法线0 =30°的方向上，从而使单元增益典型值从约
4.5dB下降到约3dB，大幅度提升了宽角度上的单元增益值。根据远场叠加原理，最终可使嵌入式智能蒙皮天线在扫描角度大于±45度的条件下增益损失小，即比传统相控阵天线增益提升约3dB。
[0024]参阅图5。薄膜TR子阵4采用瓦片式TR组件技术，应用CMOS薄膜工艺实现。薄膜TR子阵4的规模与可重构子阵3的规模一致。薄膜TR子阵4由同轴连接器30、收发多功能薄膜芯片31、等功分网络32、以及同轴馈电探针33组成，其中等功分网络32采用I分16形式，一个合路支线连接同轴馈电探针33，16个分路支线分别连接16个收发多功能薄膜芯片31和16个同轴连接器30，等功分网络32的布线形式可根据实现芯片布局不同而改变。同轴连接器30与可重构天线单元10的同轴馈电探针28垂直相连，从可重构馈电网络5输入/输出的射频信号由薄膜TR子阵4的同轴馈电探针33输入/输出，经等功分网络32、收发多功能薄膜芯片31，通过同轴连接器30输出/输入到可重构单元10的同轴馈电探针28，完成射频信号从薄膜TR子阵4到可重构子阵3的可重构单元10的发射/接收。收发多功能薄膜芯片31可实现收/发信号的放大，收/发信号的相位控制，以及接收信号的幅度控制。等功分网络32采用薄膜功分器技术进行设计，也同样可以采用CMOS薄膜工艺实现。[0025]参阅图6。可重构馈电网络5可以采用多层印制板电路技术进行设计。可重构馈电网络5由16个功分器支路端口 34、16个光导开关35、一个微带功分器36、以及一个功分器合路端口 37组成一个单元；其中，每个功分器支路端口 34垂直连接一个薄膜TR子阵4的同轴馈电探针33 ;微带功分器36采用Wilkson功分器技术设计，为I分16形式；功分器合路端口 37可以有若干个，它们可在下层形成二级微带功分网络，连接于终端主控设备7。从终端主控设备7输入/输出的射频信号最终可从若干个功分器合路端口 37输入/输出，经若干个I分16微带功分器36、分别输入/输出到每个单兀的16个光导开关35,通过每个单元的16个功分器支路端口 34输出/输入到每个单元的16个薄膜TR子阵4的同轴馈电探针33中，完成从可重构馈电网络5到薄膜TR子阵4的射频信号的输出/输入。每个光导开关35分别嵌在功分器支路端口 34的支路线上，对该支路实施通道控制，从而完成可重构馈电网络5的电性能可重构。
[0026]参阅图7。控制与功能维护模块6包括并联在功能维护模块39上的健康检测模块38、可重构子阵控制模块40、波束控制模块41和可重构网络控制模块42。健康检测模块38与光纤传感网络层2的光纤线9相连，接收来自应力传感器8的载荷应力信号电平值，判断应力传感器8下面对应的可重构子阵3是否损坏，把可重构子阵3损坏与否的相关信息传给功能维护模块39 ;功能维护模块39根据可重构子阵3的损坏情况，启动可重构网络控制模块42，控制可重构馈电网络5，隔离掉损坏的可重构子阵3，同时启用冗余设计的其它可重构子阵3以及与之对应的薄膜TR子阵4，以确保嵌入式智能蒙皮天线的电性能，完成嵌入式智能蒙皮天线的电性能可重构。可重构网络控制模块42相连于可重构馈电网络5的光导开关35，直接控制光导开关35的工作状态；当可重构子阵3发生损坏时，与之相连的光导开关35处于截止状态；当可重构子阵3，包括冗余设计的其它可重构子阵3正常工作时，与之相连的光导开关35处于导通状态。启用冗余设计的其它可重构子阵3以及与之对应的薄膜TR子阵4的规则是离损坏区域最近的原则。与此同时，功能维护模块39根据终端主控设备7的用户需求，启动可重构子阵控制模块40，完成可重构子阵3的方向图可重构，以提高嵌入式智能蒙皮天线在某个特定扫描区域的增益，弥补传统相控阵天线在大扫描角度上增益损失过大的缺陷。可重构子阵控制模块40相连于可重构子阵3的可重构天线单元 10 的光导开关 19、20、21、22、23、24、25、26，直接控制光导开关 19、20、21、22、23、24、25、26的工作状态，完成可重构天线单元10在某个特定扫描区域的方向图可重构。
[0027]在上述基础上，功能维护模块39同时根据终端主控设备7的用户需求，启动波束控制模块41，直接调用事先通过优化算法计算出来并存储在波束控制模块41里的嵌入式智能蒙皮天线的各种可重构组合的控制码，完成对薄膜TR子阵4的幅相控制。波束控制模块41相连于薄膜TR子阵4的收发多功能薄膜芯片31，完成对收发多功能薄膜芯片31的幅相控制。优化算法可以是遗传算法，粒子群优化算法、细菌觅食优化算法等，其目标是在部分可重构子阵3损坏时，优化出嵌入式智能蒙皮天线重新组合后的最佳电性能。
[0028]本发明的嵌入式共形承载智能蒙皮天线的【具体实施方式】如下:
步骤1:终端主控设备7根据用户需求，发出控制指令给控制与功能维护模块6，控制与功能维护模块6启动自己内部的功能维护模块39进行工作状态判断。
[0029]步骤2:功能维护模块39接收到步骤I的命令后，立即发送指令给健康检测模块38，接收来自光纤传感网络层2的应力传感器8的载荷应力信号电平值，当载荷应力信号电平值小于Ptl时，可重构子阵3正常工作，否则损坏，其中Ptl是可重构子阵3接受外界环境载荷时损坏的载荷应力临界值，从而可判断该应力传感器8下面对应的可重构子阵3是否损坏，并把损坏信息传给功能维护模块39。
[0030] 步骤3:功能维护模块39根据可重构子阵3的损坏情况启动可重构网络控制模块42，通过控制可重构馈电网络5的光导开关35的工作状态，进行故障隔离；同时启用冗余设计的其它可重构子阵3以及与之对应的薄膜TR子阵4，从而确保嵌入式智能蒙皮天线的电性能，完成嵌入式智能蒙皮天线的电性能可重构。
[0031]步骤4:与步骤3同时进行，功能维护模块39根据终端主控设备7的用户需求，启动可重构子阵控制模块40，直接控制可重构子阵3的可重构天线单元10的光导开关19、
20、21、22、23、24、25、26的工作状态，完成可重构天线单元10在某个特定扫描区域的方向图可重构。【具体实施方式】如下:
I)当嵌入式智能蒙皮天线波束指向沿着0 0°~60°区域扫描时，可重
构天线单元10的光导开关20、21、22导通，其它5个光导开关截止，实现此时的可重构子阵3的工作状态。
[0032]2)当嵌入式智能蒙皮天线波束指向沿着9 =0。~60。,少= 450T22.50区域扫
描时，可重构天线单元10的光导开关19、20、21导通，其它5个光导开关截止，实现此时的可重构子阵3的工作状态。
[0033]3)当嵌入式智能蒙皮天线波束指向沿着0 = 0°~60°，p=9O0T22'5D区域扫
描时，可重构天线单元10的光导开关19、20、26导通，其它5个光导开关截止，实现此时的可重构子阵3的工作状态。
[0034]4)当嵌入式智能蒙皮天线波束指向沿着0=0°~60°，(65= 135** T22—511区域扫
描时，可重构天线单元10的光导开关19、25、26导通，其它5个光导开关截止，实现此时的可重构子阵3的工作状态。
[0035]5)当嵌入式智能蒙皮天线波束指向沿着0=0。~60。, (69= 180° ?22.5°区域扫
描时，可重构天线单元10的光导开关24、25、26导通，其它5个光导开关截止，实现此时的可重构子阵3的工作状态。
[0036]6)当嵌入式智能蒙皮天线波束指向沿着0 =0。~60。,史=225°T22.5°区域扫
描时，可重构天线单元10的光导开关23、24、25导通，其它5个光导开关截止，实现此时的可重构子阵3的工作状态。
[0037]7)当嵌入式智能蒙皮天线波束指向沿着0 =0。~60。,沪=2700 T 22.5°区域扫
描时，可重构天线单元10的光导开关22、23、24导通，其它5个光导开关截止，实现此时的可重构子阵3的工作状态。
[0038]8)当嵌入式智能蒙皮天线波束指向沿着0=0°~60°，p=3〗5G:F22.50区域
扫描时，可重构天线单元10的光导开关21、22、23导通，其它5个光导开关截止，实现此时的可重构子阵3的工作状态。[0039]步骤5:与步骤3同时进行，功能维护模块39根据终端主控设备7的用户需求，启动波束控制模块41，直接调用事先通过优化算法计算出来并存储在波束控制模块41里的嵌入式智能蒙皮天线的各种可重构组合的控制码，完成对薄膜TR子阵4的幅相控制，实现嵌入式智能蒙皮天线的最佳性能。
[0040]步骤6:当可重构子阵3发生新的损坏情况时，重复上述步骤3、步骤4、和步骤5，重新完成嵌入式智能蒙皮天线的工作状态自诊断、电性能动态重构，实现嵌入式智能蒙皮天线高性能、智能化。
【权利要求】
1.一种嵌入式智能蒙皮天线，包括嵌入在蒙皮材料(I)里的可重构子阵(3)、薄膜TR子阵(4)、可重构馈电网(5)和应力传感器(8)，其特征在于:可重构子阵(3)的阵列单元以工作频率半波长为间距，按矩形栅格阵布阵，阵列由可重构天线单元(10)组成；每个应力传感器(8)设置在每个可重构子阵(3)的几何中心位置上面，通过纵向和横向光纤线(9)连接在一起构成外界信息感知的光纤传感器网络层(2);光纤传感网络层(2)与可重构子阵(3)共体相连，并与薄膜TR子阵(4)、可重构馈电网络(5)顺次平行叠层排列，端向连接控制与功能维护模块(6);光纤传感器网络层(2)感知飞行器蒙皮表面的应力变化，应力传感器(8)给出一个载荷应力信号电平值传递给控制与功能维护模块(6)，控制与功能维护模块(6)然后对可重构子阵(3)的损坏情况进行判断，当载荷应力信号电平值小于Ptl时，可重构子阵3正常工作，否则损坏，从而完成对可重构馈电网络(5)的工作状态控制，其中Ptl是可重构子阵(3)接受外界环境载荷时损坏的载荷应力临界值；同时，控制与功能维护模块(6)根据终端主控设备(7)发送的控制指令对嵌入式智能蒙皮天线的可重构子阵(3)进行控制，完成可重构天线单元(10)在某个特定扫描区域的方向图可重构。
2.如权利要求1所述的嵌入式智能蒙皮天线，其特征在于:光纤传感网络层(2)由应力传感器(8)和光纤线(9)构成，紧贴在若干可重构子阵(3)的上面。
3.如权利要求1所述的嵌入式智能蒙皮天线，其特征在于:可重构天线单元(10)具有一个同心于同轴馈电探针(28)的耦合馈电环(27)和引向环(29) ;8个结构尺寸相同的、开有相同圆孔的蝶形辐射臂(11、12、13、14、15、16、17、18)呈辐射状均匀分布在微带介质基片上表面，它们的中心线相交于同轴馈电探针(28)的圆心；蝶形辐射臂(11、12、13、14、15、16、17、18)上的圆孔大小和放置位置可调整可重构天线单元(10)的谐振频率点，可根据实际工作需要进行取值；光导开关(19、20、21、22、23、24、25、26)的一端连接于8个结构尺寸相同的蝶形辐射臂(1 1、12、13、14、15、16、17、18)上，另一端共同连接在耦合馈电环(27)上，并且8个光导开关(19、20、21、22、23、24、25、26)取相同的器件型号。
4.如权利要求1所述的嵌入式共形承载智能蒙皮天线，其特征在于:薄膜TR子阵(4)由同轴连接器(30)、收发多功能薄膜芯片(31)、等功分网络(32)、以及同轴馈电探针(33)组成，其中等功分网络(32)采用I分16形式，一个合路支线连接同轴馈电探针(33)，16个分路支线分别连接16个收发多功能薄膜芯片(31)和16个同轴连接器(30)，等功分网络(32)的布线形式根据实现芯片布局不同而改变。
5.如权利要求1所述的嵌入式智能蒙皮天线，其特征在于:可重构馈电网络(5)由16个功分器支路端口(34)、16个光导开关(35)、一个微带功分器(36)、以及一个功分器合路端口(37)组成一个单元；其中，每个功分器支路端口(34)垂直连接一个薄膜TR子阵(4)的同轴馈电探针(33);微带功分器(36)采用Wilkson功分器技术设计，为I分16形式；功分器合路端口(37)有若干个，它们可在下层形成二级微带功分网络，连接于终端主控设备⑵。
6.如权利要求1所述的嵌入式智能蒙皮天线，其特征在于:控制与功能维护模块(6)包括并联在功能维护模块(39 )上的健康检测模块(38 )、可重构子阵控制模块(40 )、波束控制模块(41)和可重构网络控制模块(42)。
7.如权利要求1所述的嵌入式智能蒙皮天线，其特征在于:健康检测模块38与光纤传感网络层(2)的光纤线(9)相连，接收来自应力传感器(8)的载荷应力信号电平值，判断应力传感器(8)下面对应的可重构子阵(3)是否损坏，把可重构子阵(3)损坏与否的相关信息传给功能维护模块(39);功能维护模块(39)根据可重构子阵(3)的损坏情况，启动可重构网络控制模块(42)，控制可重构馈电网络(5)，隔离掉损坏的可重构子阵(3)，同时启用冗余设计的其它可重构子阵(3)以及与之对应的薄膜TR子阵(4)，完成嵌入式智能蒙皮天线的电性能可重构。
8.如权利要求1所述的嵌入式智能蒙皮天线，其特征在于:可重构网络控制模块(42)相连于可重构馈电网络(5)的光导开关(35)，直接控制光导开关(35)的工作状态；当可重构子阵(3)发生损坏时，与之相连的光导开关(35)处于截止状态；当可重构子阵(3)，包括冗余设计的其它可重构子阵(3)正常工作时，与之相连的光导开关(35)处于导通状态。
9.如权利要求1所述的嵌入式智能蒙皮天线，其特征在于:功能维护模块(39)同时根据终端主控设备(7)的指令需求，启动波束控制模块(41)，直接调用事先通过优化算法计算出来并存储在波束控制模块(41)里的嵌入式智能蒙皮天线的各种可重构组合的控制码，完成对薄膜TR子阵(4)的幅相控制；波束控制模块(41)相连于薄膜TR子阵(4)的收发多功能薄I吴芯片(31),完成对收发多`功能薄I吴芯片(31)的幅相控制。
【文档编号】H01Q1/42GK103618130SQ201310492003
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】何庆强, 何海丹, 官正涛 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所