CN103913470B - 基于远区电磁场分布的共形承载天线的罩体缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于远区电磁场分布的共形承载天线的罩体缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）建立无罩共形承载天线的分析模型；（2）对天线阵面表面的近场分布进行仿真；（3）测量带罩共形承载天线的远场；（4）对带罩共形承载天线的罩体进行网格划分；（5）根据步骤（2）仿真所得天线阵面表面的近场以及步骤（3）所测带罩天线的远场，反求出天线罩罩体各处的透射系数；（6）根据步骤（5）罩体各处的透射系数，反求出天线罩罩体各网格处的材料厚度，获取材料缺陷的形状和位置。本发明由于根据无罩天线的近场和带罩天线的远场来确定共形承载天线的罩体的材料缺陷，因而与现有技术相比，实现对封装后罩体的材料缺陷进行检测。

Description

基于远区电磁场分布的共形承载天线的罩体缺陷检测方法

技术领域

本发明属于雷达天线技术领域，具体是一种基于远区电磁场分布的共形承载天线的罩体缺陷检测方法，可用于对带罩共形承载天线中的封闭缺陷进行检测。

技术背景

共形承载天线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，可以融入飞行器外表面蒙皮中，在实现天线电性能的同时，得到光滑平顺的机身表面，完全不影响飞行器的气动性能，并有利于隐身，而其恶劣的工作环境使得其配备天线罩成为必不可少的要求。

现代的共形承载天线一般是通过将微带天线与一体化馈线集成技术结合，得到扁平的天线，再封装上可以承载的透波复合材料作为天线罩。天线罩在实现承载功能的同时，还影响着电性能。其与天线的封装过程中，会产生缺陷，如粘接的脱胶分层、胶层厚度不均匀或有空洞；封装后的二次机加工如打孔也会导致缺陷；在使用过程中也会有损伤，在影响结构承载性能的同时，也影响电性能。因此对一体化成形后的共形承载天线封装缺陷的检测十分重要。

张生芳在2004年的论文《天线罩制造中的电厚度测量技术》中提出了一种检测天线罩材料的非均匀性缺陷的方法，该方法首先使用喇叭天线来测量天线罩不同位置处的插入相位移，然后根据罩体的插入相位移来反求出材料的非均匀性缺陷。该方法的不足是：只适用于可分离的复合材料罩体，而无法用于封装后的共形承载天线。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于远区电磁场分布的共形承载天线的罩体缺陷检测方法，以实现对罩体中封闭缺陷的检测。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于远区电磁场分布的共形承载天线的罩体缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）建立无罩共形承载天线的分析模型；

（2）对天线阵面表面的近场分布进行仿真；

（3）测量带罩共形承载天线的远场；

（4）对带罩共形承载天线的罩体进行网格划分；

（5）根据步骤（2）仿真所得天线阵面表面的近场以及步骤（3）所测带罩天线的远场，反求出天线罩罩体各处的透射系数；

（6）根据步骤（5）罩体各处的透射系数，反求出天线罩罩体各网格处的材料厚度，获取材料缺陷的形状和位置。

步骤（5）所述的根据仿真所得天线阵面表面的近场以及所测带罩天线的远场，反求出天线罩罩体各处的透射系数，按如下步骤进行：

（5a）根据带罩天线的远场计算公式，建立从远场到天线罩透射系数的反演模型：

其中，b₁₁,...,b_mn，c₁₁,...,c_mn为根据远场计算公式得到的中间变量，T_H1,...,T_Hn，T_V1,...,T_Vn为天线罩的透射系数，F₁,...,F_m为测量出的天线远场，m为所测远场点的数目，n为天线罩划分的网格数；

（5b）使用最小二乘法求解步骤（5a）中的反演模型，得到天线罩上各点处的透射系数。

所述步骤（6）中根据罩体各处的透射系数，反求出天线罩罩体各网格处的材料厚度，按如下步骤进行：

（6a）多层天线罩的层数计为n，其中第i层存在缺陷需要进行检测；

（6b）根据除第i层以外天线罩其它各层材料的厚度、介电常数和损耗角正切，计算各层罩体的转移矩阵

其中m＝1,...,i-1,i+1,...,n，A_m＝ch(jVd_m)， ε_r′＝ε_rm(1-jtanδ_m)，这些参数均为中间变量；d_m为第m层材料的厚度，ε_rm为第m层材料的介电常数，tanδ_m为第m层材料的损耗角正切，θ_M为入射角，其大小由天线罩的外形决定，λ是天线的波长，根据天线工作频率f和光速c，通过公式计算得到，

（6c）第1至第i-1层罩体的总的转移矩阵的计算公式为：

（6d）第i+1至第n层罩体的总的转移矩阵的计算公式为：

（6e）计算天线罩各网格在第i层的材料厚度：

其中，

这些参数均为中间变量；T_V为步骤（5）中求出的天线罩的透射系数。

本发明由于根据无罩天线的近场和带罩天线的远场来确定共形承载天线的罩体的材料缺陷，因而与现有技术相比，可以实现对封装后罩体的材料缺陷进行检测。

附图说明

图1是本发明的实现总流程图；

图2是本发明使用的微带天线阵的示意图；

图3是本发明中微带天线阵面表面的电场分布示意图；

图4是用本发明检测出的罩体胶膜厚度分布图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明的具体步骤如下：

步骤一，通过电磁分析软件中建立无罩共形承载天线的分析模型，在天线阵面表面建立一个坐标系O-xyz，其x、y、z方向的分量分别用i、j、k表示。

步骤二，在电磁分析软件中对天线阵面表面的近场分布进行仿真，求出天线阵面表面的近场分布，包括电场Eⁱⁿ和磁场Hⁱⁿ，二者可表示为：

其中分别为Eⁱⁿ在x、y、z方向的分量，分别为Hⁱⁿ在x、y、z方向的分量。

步骤三，测量带罩共形承载天线的远场。

针对实际制造出来的带罩共形承载天线，测量其远区电磁场分布。由于远场的主极化分量通常远大于交叉极化分量，因而其抗测量噪声的干扰的能力更强，故测量时要选择其主极化分量进行测量。

步骤四，通过模型分析软件对带罩共形承载天线的罩体进行网格划分，设置网格划分边长，对带罩共形承载天线的罩体进行网格划分。

步骤五，反求出罩体各处的透射系数。

（5a）使用表面积分法分析带罩天线系统的电性能，根据该方法中的远场计算公式，建立从天线远场到天线罩透射系数的反演模型：

（5a1）根据天线罩内表面上的电场Eⁱⁿ和磁场Hⁱⁿ，求得电磁波的入射线方向为：

其中H^in*为Hⁱⁿ的共轭；

（5a2）将天线罩内表面上各处的法线方向记为n_r，则天线罩切平面上两个互相垂直的分量为：

n_b＝p_a×n_r＝in_bx+jn_by+kn_bz，t_b＝n_b×n_r＝it_bx+jt_by+kt_bz

其中，n_b和t_b分别为垂直和平行于入射平面的分量，入射平面是由电磁波的入射线和天线罩内表面的法线构成的平面，n_bx、n_by、n_bz分别为n_b在x、y、z方向的分量，t_bx、t_by、t_bz分别为t_b在x、y、z方向的分量；

（5a3）由上述Eⁱⁿ、n_b和t_b，得到天线罩内表面上电场在天线罩切平面上的分量E_b和E_t：

其中，E_b为天线罩内表面上电场在垂直于入射面方向的分量，E_t为天线罩内表面上电场在平行于入射面方向的分量；

（5a4）由上述Hⁱⁿ、n_b和t_b，得到天线罩内表面上磁场在天线罩切平面上的分量H_b和H_t：

其中，H_b为天线罩内表面上磁场在垂直于入射面方向的分量，H_t为天线罩内表面上磁场在平行于入射面方向的分量；

（5a5）以极化方向为x方向的天线为例，根据步骤（5a3）、（5a4）中所得天线罩内表面上电场在切平面上的分量E_b、E_t和磁场在切平面上的分量H_b、H_t，得到带罩天线的远场为：

其中，T_H和T_V分别是天线罩上各点处的水平极化分量和垂直极化分量的透射系数，二者统称为天线罩的透射系数，S_r为天线罩积分单元的面积，

以上这些变量均为中间变量；

（5a6）假设天线罩划分的单元数目为n、远场的测量点数为m，则带罩天线的远场计算公式变为：

上式本质上是矩阵与向量相乘的形式，令bi_j＝B′_xijΔS_ri，ci_j＝C′_xijΔS_ri得到从远场到天线罩透射系数的反演模型：

（5b）使用最小二乘法求解（5a6）中的反演模型，即可得到天线罩上各点处的透射系数。

步骤六，反求出天线罩罩体各网格处的材料厚度。

共形承载天线罩通常由多层材料组成，而往往其中某一层材料的存在缺陷，影响带罩共形承载天线的电性能。按下述步骤确定罩体各网格在某一层的材料厚度：

（6a）多层天线罩的层数计为n，其中第i层存在缺陷需要进行检测；

（6b）根据除第i层以外天线罩其它各层材料的厚度、介电常数和损耗角正切，计算各层罩体的转移矩阵

其中m＝1,...,i-1,i+1,...,n，A_m＝ch(jVd_m)， ε_r′＝ε_rm(1-jtanδ_m)，这些参数均为中间变量；d_m为第m层材料的厚度，ε_rm为第m层材料的介电常数，tanδ_m为第m层材料的损耗角正切，θ_M为入射角，其大小由天线罩的外形决定，λ是天线的波长，根据天线工作频率f和光速c，通过公式计算得到，

（6c）第1至第i-1层罩体的总的转移矩阵的计算公式为：

（6d）第i+1至第n层罩体的总的转移矩阵的计算公式为：

（6e）计算天线罩各网格在第i层的材料厚度：

其中，

这些参数均为中间变量；T_V为步骤（5）中求出的天线罩的透射系数。

本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：

1.仿真参数

某微带天线阵，其图形与尺寸如图2所示，该天线基板宽90mm、长120mm，阵面印制4个相同的微带天线及功分网络，工作频率12.5GHz。天线表面覆盖一层0.2mm厚的胶膜，介电常数为3.0，磁损耗角正切为0.025。在胶膜上人为设计四个同样的矩形孔洞用于模拟缺陷，参见图2中左侧两个微带天线下角处的黑框部分，缺陷中心位于微带天线的下角，尺寸l₁＝l₂＝8.0mm。

2.仿真内容与结果

首先利用HFSS软件仿真，得出无罩天线阵面表面的近场分布，其中电场强度的分布如图3所示。近场按照2mm间距离散，共计有2989个点，其中90个点位于缺陷范围内，其胶膜厚度为0mm；其余点的胶膜厚度为0.2mm。仿真中没有引入任何误差，天线和胶膜的材料、尺寸都属于理想状态。反演使用Matlab自编的程序实现，反演结果如图4所示，反演厚度的误差列于表3。

图4中列出了所有离散点处的胶膜厚度，X和Y轴表示位置坐标，Z轴为胶膜厚度。可见与图2中设定的胶膜缺陷范围基本一致。

表1检测结果

从表1可见，检测出的胶膜层材料厚度的误差为亚毫米级，检测精度足以满足工程应用要求。

上述仿真数据实验证明，本发明可有效检测出带罩共形承载天线中的封闭缺陷。

Claims (1)

1.一种基于远区电磁场分布的共形承载天线的罩体缺陷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立无罩共形承载天线的分析模型；在天线阵面表面建立一个坐标系O-xyz，其x、y、z方向的分量分别用i、j、k表示；

(2)对天线阵面表面的近场分布进行仿真；

(3)测量带罩共形承载天线的远场；

(4)对带罩共形承载天线的罩体进行网格划分；

(5)根据步骤(2)仿真所得天线阵面表面的近场以及步骤(3)所测带罩天线的远场，反求出天线罩罩体各处的透射系数；

(6)根据步骤(5)罩体各处的透射系数，反求出天线罩罩体各网格处的材料厚度，获取材料缺陷的形状和位置；

所述步骤(5)所述的根据仿真所得天线阵面表面的近场以及所测带罩天线的远场，反求出天线罩罩体各处的透射系数，按如下步骤进行：

(5a)使用表面积分法分析带罩天线系统的电性能，根据该方法中的远场计算公式，建立从天线远场到天线罩透射系数的反演模型：

(5a1)根据天线罩内表面上的电场Eⁱⁿ和磁场Hⁱⁿ，求得电磁波的入射线方向为：

其中H^in*为Hⁱⁿ的共轭；

(5a2)将天线罩内表面上各处的法线方向记为n_r，则天线罩切平面上两个互相垂直的分量为：

n_b＝p_a×n_r＝in_bx+jn_by+kn_bz，t_b＝n_b×n_r＝it_bx+jt_by+kt_bz

其中，n_b和t_b分别为垂直和平行于入射平面的分量，入射平面是由电磁波的入射线和天线罩内表面的法线构成的平面，n_bx、n_by、n_bz分别为n_b在x、y、z方向的分量，t_bx、t_by、t_bz分别为t_b在x、y、z方向的分量；

(5a3)由上述Eⁱⁿ、n_b和t_b，得到天线罩内表面上电场在天线罩切平面上的分量E_b和E_t：

$E_b=E^{\mathrm{in}}{n}_b=E_x^{\mathrm{in}}{n}_{\mathrm{bx}}+E_y^{\mathrm{in}}{n}_{\mathrm{by}}+E_z^{\mathrm{in}}{n}_{\mathrm{bz}},$

$E_t=E^{\mathrm{in}}{t}_b=E_x^{\mathrm{in}}{t}_{\mathrm{bx}}+E_y^{\mathrm{in}}{t}_{\mathrm{by}}+E_z^{\mathrm{in}}{t}_{\mathrm{bz}},$

其中，E_b为天线罩内表面上电场在垂直于入射面方向的分量，E_t为天线罩内表面上电场在平行于入射面方向的分量；

(5a4)由上述Hⁱⁿ、n_b和t_b，得到天线罩内表面上磁场在天线罩切平面上的分量H_b和H_t：

$H_b=H^{\mathrm{in}}{n}_b=H_x^{\mathrm{in}}{n}_{\mathrm{bx}}+H_y^{\mathrm{in}}{n}_{\mathrm{by}}+H_z^{\mathrm{in}}{n}_{\mathrm{bz}},$

$H_t=H^{\mathrm{in}}{t}_b=H_x^{\mathrm{in}}{t}_{\mathrm{bx}}+H_y^{\mathrm{in}}{t}_{\mathrm{by}}+H_z^{\mathrm{in}}{t}_{\mathrm{bz}},$

其中，H_b为天线罩内表面上磁场在垂直于入射面方向的分量，H_t为天线罩内表面上磁场在平行于入射面方向的分量；

(5a5)以极化方向为x方向的天线为例，根据步骤(5a3)、(5a4)中所得天线罩内表面上电场在切平面上的分量E_b、E_t和磁场在切平面上的分量H_b、H_t，得到带罩天线的远场为：

其中，T_H和T_V分别是天线罩上各点处的水平极化分量和垂直极化分量的透射系数，二者统称为天线罩的透射系数，S_r为天线罩积分单元的面积，

以上这些变量均为中间变量；

(5a6)假设天线罩划分的单元数目为n、远场的测量点数为m，则带罩天线的远场计算公式变为：

上式本质上是矩阵与向量相乘的形式，令b_ij＝B′_xijΔS_ri，c_ij＝C′_xijΔS_ri得到从远场到天线罩透射系数的反演模型：

(5b)使用最小二乘法求解(5a6)中的反演模型，即可得到天线罩上各点处的透射系数；

所述步骤(6)中根据罩体各处的透射系数，反求出天线罩罩体各网格处的材料厚度，按如下步骤进行：

(6a)多层天线罩的层数计为n，其中第i层存在缺陷需要进行检测；

(6b)根据除第i层以外天线罩其它各层材料的厚度、介电常数和损耗角正切，计算各层罩体的转移矩阵

其中m＝1,...,i-1,i+1,...,n，A_m＝ch(jVd_m)，D_m＝ch(jVd_m)，ε′_r＝ε_rm(1-j tanδ_m)，这些参数均为中间变量；d_m为第m层材料的厚度，ε_rm为第m层材料的介电常数，tanδ_m为第m层材料的损耗角正切，θ_M为入射角，其大小由天线罩的外形决定，λ是天线的波长，根据天线工作频率f和光速c，通过公式计算得到，

(6c)第1至第i-1层罩体的总的转移矩阵的计算公式为：

(6d)第i+1至第n层罩体的总的转移矩阵的计算公式为：

(6e)计算天线罩各网格在第i层的材料厚度：

其中，

这些参数均为中间变量；T_V为步骤(5)中求出的天线罩的透射系数。