許 群，王云香，劉少斌，鞏亞萍

(1. 南京航空航天大學 電子信息工程學院， 南京 210016) (2. 高性能電磁窗航空科技重點實驗室， 濟南 250031)

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·天饋伺系統(tǒng)·

飛行器共形天線技術綜述

許 群1，2，王云香1，2，劉少斌1，鞏亞萍2

(1. 南京航空航天大學 電子信息工程學院， 南京 210016) (2. 高性能電磁窗航空科技重點實驗室， 濟南 250031)

共形天線具有低剖面特點，有利于提高飛行器的氣動性能和隱身性能，能夠增大機載天線的孔徑、妥善解決雙模導引頭天線孔徑疊合的矛盾。對共形天線的需求背景、主要功能和研究內(nèi)容進行了綜述，對微帶天線、縫隙天線、螺旋天線、共面波導天線等常用共形天線單元的特點進行了分析，歸納了共形天線在設計和制造方面的關鍵技術，總結(jié)了共形天線對天線罩的影響。

共形天線;天線罩；共形天線陣;雙模導引頭;微帶天線;縫隙天線

0 引 言

天線在現(xiàn)代飛行器上應用十分廣泛，如飛機上的通信、導航、敵我識別、電子戰(zhàn)、雷達等設備都離不開天線。共形天線是一種特殊形式的天線，它的特殊之處就在于其形狀與常規(guī)天線不同，常規(guī)天線的形狀取決于天線的電性能要求，而共形天線的形狀既要滿足天線的電性能要求，還要兼顧飛行器的氣動特性。在IEEE Std145-1993中，給出了共形天線的定義：共形天線是和物體外形保持一致的天線或天線陣[1]，這里所說的物體外形是由非電氣因素決定的，例如：空氣動力學因素或流體力學因素。比如：拋物面型地面衛(wèi)星接收天線，它利用拋物面的凹表面作為反射面，這種天線對飛行器的氣動特性有不利影響，因此，在飛行器上使用時只能安裝在飛行器的內(nèi)部，需要用天線罩來改善飛行器的氣動性能。如果改變拋物面天線的結(jié)構形式，以凸表面作為天線口面，就可以把它裝到飛行器表面了，這時的拋物面天線就成為共形天線。共形天線有助于提高飛行器的氣動性能、降低RCS[2-4]，是天線領域目前研究的熱點問題。

1 共形天線的需求背景

任何一項新技術的發(fā)展都離不開需求牽引，飛行器某些新的功能和性能要求，需要采用共形天線來滿足，這種需求推動了共形天線的研究工作。

一架軍用飛機上往往裝有多種天線，通常情況下有20多種，多的達到70多種[1,5]，這些天線只有極少部分安裝在機身內(nèi)部，絕大多數(shù)都突出在機身外部。為了在機身內(nèi)部安裝天線，需要配套天線罩，天線罩要突出機身，形成鼓包。突出在機身外部的天線多為刀型天線或鞭狀天線。飛機上的這些傳統(tǒng)的天線，無論是裝在飛機內(nèi)部，還是裝在飛機外部，都對飛機的氣動特性有不利的影響，還會增大飛機的RCS，對隱身飛機來講，這也是致命的弱點。所以，從改善飛機的氣動外形和降低RCS角度出發(fā)，都希望對傳統(tǒng)的天線加以改進，改進的方向之一就是采用共形天線。共形天線具有低剖面的特點，可以安裝在飛機表面而不增加風阻。

在飛機上采用共形天線的另一個原因是為了增大天線的孔徑[2,4]，該用途在預警機上體現(xiàn)得特別充分。為了在復雜的戰(zhàn)場環(huán)境下探測隱身飛機等作戰(zhàn)對象，要求預警機具有更遠的探測距離、更多的工作模式、更靈活的能量管理方案和更好的抗干擾措施，這就意味著需要更大的功率孔徑積。有兩種方式提高功率孔徑積，一是增大發(fā)射功率，二是增大天線尺寸。單純增大發(fā)射功率，需要載機提供更多的電源，受到載機資源的制約。天線孔徑在雷達收發(fā)雙程起作用，因此，擴大天線孔徑比提高發(fā)射功率更有利于增大天線的功率孔徑積。所以，在E-2、E-3、A-50、空警2000、空警200等預警機上都有一個很大的天線和天線罩，圖1是E-3A預警機的照片。但大孔徑天線在載機平臺上的安裝會帶來許多新的矛盾，機頭空間有限，裝在機背上又影響飛機的氣動性能。因此，較好的解決辦法是把天線和機身融合在一起，把天線安裝在飛機蒙皮內(nèi)，采用共形相控陣天線是未來機載預警雷達的一個發(fā)展趨勢，以色列研制的費爾康預警機就使用了共形相控陣天線，如圖2所示。

圖1 E-3A預警機上的天線罩

圖2 費爾康預警機采用了共形相控陣天線

對相控陣天線而言，為了克服平面相控陣天線的某些缺點，也需要采用共形天線方案[4]。平面相控陣天線的波束寬度隨掃描角的變化而變化，這會導致雷達的角度分辨率與測角精度變差；天線增益隨掃描角增大而降低，使得在整個觀察空域里發(fā)射信號功率分配不均勻；此外，平面相控陣天線的掃描范圍較窄、瞬時信號帶寬有限、難以實現(xiàn)寬角掃描匹配。采用共形相控陣天線在一定程度上可以解決這一問題。當然，所付出的代價就是增加了共形天線的復雜程度。

在雙?；蛘叨嗄б^上也需要共形天線。雙/多模導引頭在一個導引頭內(nèi)布置兩種或兩種以上的傳感器，復合傳感器主要采用共口徑復合、疊合復合和口徑分置復合等方案[6]，但是無論采用哪一個方案，都存在許多問題，傳統(tǒng)天線或平面天線已經(jīng)無法適應雙模導引頭的發(fā)展需要。一種新的嘗試是把共形天線技術引入導彈制導領域，實現(xiàn)天線與天線罩一體化。這項技術利用微帶天線的低剖面特性，把寬帶被動天線直接印刷在天線罩或者紅外頭罩根部外表面上，而在天線罩或紅外頭罩內(nèi)部，是常規(guī)安裝的主動窄頻帶、窄波束天線，或紅外敏感元件。

2 共形天線的研究內(nèi)容及關鍵技術

2.1 天線單元的研究

無論是共形天線還是共形天線陣，天線單元的研究都是基礎性的工作。飛行器平臺要求共形天線單元具有低剖面、易彎曲成形、可承載等特點。共形天線單元的選擇還要考慮天線帶寬、阻抗特性、極化特性等性能要求。

目前研究較多的是微帶結(jié)構的共形天線單元[1,7-12]。微帶天線由接地平面、介質(zhì)基片和微帶單元組成，其厚度一般只有幾毫米。飛行器的金屬表皮是微帶天線天然的接地平面，將具有一定形狀的印刷電路板與飛行器表皮復合在一起，就構成微帶天線。介質(zhì)基片的形狀可以利用模具來保證。由于微帶天線較薄，所以可以直接安裝在飛行器外表面，這時天線略微突出于飛行器表面，也可以將共形天線嵌入飛行器表面中，使飛行器外表看起來是光順的。共形微帶天線的微帶貼片是曲面的，而且貼片后的接地面也是曲率半徑為有限值的曲面[10]。常規(guī)微帶天線的帶寬很窄，利用多層微帶結(jié)構、增加基板厚度和改變饋電激勵方式等，微帶天線的帶寬可增大到30%[7]。

縫隙天線可以嵌入在曲面上，也適合飛行器共形天線應用[1,7,10]。縫隙天線是在導電平面上開長方形縫隙，有橫向單元開槽、縱向單元開槽和斜向開槽三種類型。適當選擇縫隙的形狀、取向和相對位置可產(chǎn)生不同形狀的天線方向圖。如果把裂縫波導做在飛行器的外表面，或者把它放在表皮中相應縫隙的外面，就形成共形天線陣列。在工程應用中，在縫隙的表面填充介質(zhì)材料，以滿足承載和耐環(huán)境要求。飛行器縫隙天線的主要缺點是帶寬較窄，通常只有5%左右。

螺旋天線是用金屬線或金屬管繞制而成的螺旋形結(jié)構的行波天線，通常用同軸線饋電，同軸線內(nèi)導體和螺旋線一端相接，外導體和接地板相連。將螺旋線纏繞在一個介質(zhì)板圓球上，形成球面螺旋天線。球面螺旋天線可以作為共形天線使用，一般用在低速飛機或者衛(wèi)星上。螺旋天線重量輕、頻帶寬，可達2 GHz～18 GHz，其圓極化覆蓋角度非常寬，而且波瓣圖上沒有旁瓣，當頻率變化時方向圖變化不大。為了增強螺旋天線的輻射，可在天線底部增加一個圓形的反射板。

共面波導饋電的印刷寬縫隙天線可以做成共形天線。該類天線利用共面波導導帶作為饋源對縫隙進行激勵，采用不同的縫隙或者饋源結(jié)構，可以獲得不同的帶寬。采用內(nèi)導帶開路饋電，可得30%的駐波比帶寬，共面波導內(nèi)導帶伸出的部分變寬，調(diào)節(jié)矩形貼片的寬度、長度以及貼片與縫隙的距離，可獲得60%的帶寬，若采用圓形貼片作饋源，天線的駐波比帶寬可增大到143%。共面波導天線與微帶天線結(jié)構相似，也具有低剖面、易彎曲的特點，非常適合作為飛行器天線使用。

2.2 共形天線的研究和應用情況

共形天線的起源至少可以追溯到20世紀30年代，Chireix分析了一個排成圓形的環(huán)形偶極子陣列系統(tǒng)。環(huán)形陣列具有旋轉(zhuǎn)對稱性，可用于廣播和通信，后來也被用于導航和測向。環(huán)形陣列的典型應用是Wullenweber陣列[1]。Chireix的工作為飛行器共形天線的研究奠定了基礎。

20世紀50年代，Jim Wait對開鑿在金屬圓柱上的縫隙輻射做了基礎性研究工作，后來許多人用模式展開技術或高頻衍射技術繼續(xù)拓展他的工作，其研究成果在飛機機翼前緣的共形天線上得到了應用。

1974年，Munger對錐形共形天線進行了研究，但是進展緩慢。1975年，Bearse研究了圓頂雷達天線，該天線有一個半球形無源傳輸型透鏡，平面相控陣在徑平面饋電，透鏡給波束附加了一個額外的偏轉(zhuǎn)角，以獲得超過90°的掃描范圍。

位于圣迭戈的美國海軍電子實驗中心做出了大量重要的共形陣領域研究成果，這些成果包括在圓柱陣列和圓錐陣列及其饋電系統(tǒng)的進展[1]，大部分該領域的研究成果取得于1974年左右。

多個國家開展了共形陣雷達天線的研究和試驗工作。美國的雷聲公司為空軍進行了一項共形陣雷達技術的研究計劃，該天線與載機蒙皮的氣動力形狀共形，天線背后裝有單片微波集成電路T/R模塊，其多個共形陣面安置在機體的兩側(cè)以及兩翼的前緣，通過開關控制交替工作實現(xiàn)全方位電掃描，收發(fā)單元可以進行精確的控制以形成所需的窄波束[5]。

美國格魯曼公司為海軍研制無源機翼共形陣，用于未來飛機的反電子對抗。其天線單元采取八木型，MMIC模塊由通用電氣公司生產(chǎn)。格魯曼公司還在機翼前緣安裝了有源相控陣列，用來進行共形陣雷達系統(tǒng)實驗，通過自適應處理手段可以克服機身的變形和機翼抖動所帶來的影響。

以色列的艾爾塔公司已經(jīng)研制出相控陣L波段準共形固態(tài)AEW系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在波音707飛機上，6個天線陣面分別布置在機頭、機尾和機身兩側(cè)，通過開關控制聯(lián)合體360°方位掃描以及俯仰掃描。艾爾塔公司還在灣流550載機上實現(xiàn)了L波段平面準共形陣雷達試飛。

共形天線在民用飛機上也開始得到應用。貝爾公司通信系統(tǒng)部開發(fā)的空中鏈共形相控陣天線是波音747-400飛機的一種流行方案，它為機組成員和乘客提供衛(wèi)星通信能力。空中鏈高增益天線有兩個頻段，即1 530 MHz ～1 559 MHz和1 626.5 MHz ～1 660.5 MHz，其尺寸為16 in×32 in×0.29 in(1 in=2.54 cm)，重量為5.26 kg。它是一種自動衛(wèi)星截獲并跟蹤、電子波束控制、與飛機機身共形的平板型天線。

2013年4月，美國的Kymeta公司與國際海事衛(wèi)星組織合作推出了一款基于超材料的Ka頻段共形相控陣天線[13]，該天線采用超材料實現(xiàn)電子波束掃描，從而省略了傳統(tǒng)的移相器，簡化了天線結(jié)構，天線厚度小于50 mm。

對于導引頭共形相控陣天線的研究始于20世紀90年代。美國?？针娮討?zhàn)中心武器部門于1993年發(fā)布了圓錐表面有源電掃陣列演示驗證項目，研制用于大氣層內(nèi)直接撞擊攔截導彈的導引頭天線。項目周期四年，目標有兩項：開發(fā)共形天線的分析/綜合軟件，研制演示驗證硬件樣機，包括一個共形輻射模塊，一個共形天線驅(qū)動模塊。該項目對天線的要求是體積小、重量輕，且在惡劣的氣候條件下保證極高的命中精度。這些要求導致了選擇毫米波/紅外雙模導引頭方案，其中，毫米波天線采用共形陣列。演示驗證用的天線結(jié)構為半角15°、根部直徑13.4″、高度25″的錐臺。在圓錐表面相對兩側(cè)，排列了兩個子陣列：一個84個單元，另一個56個單元。單元天線由正交極化介質(zhì)加載圓波導構成。

雷神公司提出了一個雙模導引頭共形天線的原理方案。該天線包括一個錐臺形介質(zhì)天線罩結(jié)構(其開口處提供了紅外傳感器的安裝空間)和一個射頻波段的電掃縫隙陣列。天線罩由厚度約為1/4波長的介質(zhì)構成。最外層是導電層，其上開有許多縫隙。縫隙繞著天線罩縱軸在圓周方向連續(xù)延伸，在軸線方向以一定間隔分布。在罩內(nèi)安裝終端饋電“蛇形”或折疊傳輸結(jié)構，可把RF信號從結(jié)構的激勵端傳送到另一端?？p隙沿著折疊結(jié)構配置，從折疊結(jié)構泄露的能量進入縫隙，并通過縫隙輻射出去。由于頻率的色散效應，傳輸結(jié)構的電長度隨頻率掃描而發(fā)生變化，這將導致輻射波束的移動而形成掃描。因此，該天線可稱為“頻率掃描”相控陣天線。

圖3是整合到飛機機翼上的共形陣列天線的照片[14]，圖4是用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信的圓錐共形陣列天線的照片。

圖3 飛機機翼上的共形陣列天線

圖4 用于衛(wèi)星通信的圓錐共形陣列天線

2.3 共形天線的關鍵技術

共形天線在理論研究和演示驗證方面取得了一定的進展，在通信和雷達領域獲得了一定應用，但是這種技術還很不成熟，在理論研究和工程實踐中仍存在許多技術難題，特別是在大型共形陣列天線應用時，問題更為突出。這些問題主要表現(xiàn)為以下五點：

1)共形陣列天線的方向圖仿真計算問題[1,15-16]。在平面陣列天線方向圖計算時，陣列天線的方向性函數(shù)等于陣函數(shù)乘以單元天線的方向函數(shù)，而在共形陣列天線中，不同天線單元所在的位置不同，其軸線方向也不同，方向圖是有區(qū)別的，這就破壞了方向性乘積原理成立的條件。因此，共形陣的方向圖不能表示成一個顯式，必須采用數(shù)值計算方法。另外，共形天線一般屬于電大、超電大尺寸，且電磁結(jié)構十分復雜，目前缺乏可供使用的商用軟件，只能對某些簡單情況近似求解。因而，在設計上必須借助大量的試驗工作。

2)饋電網(wǎng)絡復雜[1]。對于共形天線而言，當波束掃描到某一方向時，并不是所有天線單元都對主波束有貢獻，為避免增加副瓣電平和降低天線效率，必須斷開或者改善對主波束無貢獻的單元激勵，這樣勢必增加饋電網(wǎng)絡的復雜性。在很多情況下，共形天線的復雜性、成本和重量主要取決于饋電網(wǎng)絡。

3)材料與工藝問題[1]。目前，微帶天線的制作主要依賴覆銅板，其介質(zhì)材料為有機復合材料，銅箔通過熱壓與基板結(jié)合在一起。在制作微帶天線和微帶電路時，通過繪圖、照相、光刻腐蝕等，去掉銅箔的多余部分，留下的部分形成微帶天線及其饋線，這存在如下問題：有機材料基板及其銅箔的耐熱性能，對于機載天線是沒有問題的，對于高速導彈的高溫要求，則滿足不了。其次，還要解決陶瓷表面金屬化、金屬表面陶瓷化、厚膜工藝尺寸精確控制、材料熱膨脹匹配及電路金屬材料在高溫下的穩(wěn)定性問題。

4)天線單元之間的耦合問題[3]。共形天線的單元天線間距接近λ/2，距離很近，天線單元之間的耦合問題十分嚴重。耦合將導致天線陣的電流分布發(fā)生變化，引起副瓣電平抬高、增益下降和主瓣寬度變寬等不良后果；耦合使天線單元的反射增加，且隨著天線掃描角度的變化而變化。天線單元與饋線中各節(jié)點間場的來回反射使天線陣的匹配更加困難；耦合會導致天線掃描出現(xiàn)“盲角”。由于相互耦合的影響，當天線波束掃描至接近出現(xiàn)柵瓣的方向時，有源反射系數(shù)將可能突然增大到接近1。這意味著所有加在天線單元上的發(fā)射信號幾乎全部被反射回來，使得該天線波束指向的天線波瓣出現(xiàn)一個很深的凹口，甚至零點。與此對應，天線增益將急劇下降，出現(xiàn)“盲視現(xiàn)象”。因此，研究減小耦合的影響是十分重要的。

5)雷電防護問題。一般情況下，共形天線是非金屬材料和金屬材料的組合體，共形天線的外面不再配置傳統(tǒng)的天線罩。當共形天線直接暴露在飛行器外部時，雷電防護問題就顯得十分突出。出于電磁輻射方面的考慮，共形天線多安裝在飛行器上比較突出的位置，這些位置屬于雷電1區(qū)，雷電先導很容易附著到這些地方。如果雷電附著到共形天線上，則可能損壞天線，甚至天線的接收設備，極端情況下甚至會造成機毀人亡。在傳統(tǒng)的天線加天線罩情況下，雷電防護的任務主要由天線罩承擔。對于共形天線而言，雷電防護的主要任務是避免雷電附著或者使雷電附著所造成的損失在可接受的范圍內(nèi)。

2.4 對天線罩的影響

共形天線的研究和應用，對天線罩的影響很大。傳統(tǒng)意義上的天線罩與天線是兩個各自獨立的成品，兩者之間有明晰的分界面。從功能上來講，天線主要實現(xiàn)收發(fā)電磁信號的功能，天線罩主要承載飛行器的氣動載荷和環(huán)境載荷。天線與飛行器共形以后，共形天線本身安裝在飛行器的結(jié)構當中，或者說共形天線自身就是飛行器結(jié)構的組成部分，它能夠承受飛行器的各種載荷，不需要額外的天線罩來保護共形天線了。傳統(tǒng)意義上的天線罩將與共形天線融為一體[5-7]。

在共形天線中仍有一部分介質(zhì)結(jié)構，這部分介質(zhì)結(jié)構與天線結(jié)構融為一體，不可分割，已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的天線罩。共形天線中介質(zhì)結(jié)構的形式與共形天線的類型有關，沒有統(tǒng)一的標準。對于微帶共形天線，介質(zhì)結(jié)構是實芯或夾層介質(zhì)壁結(jié)構，在介質(zhì)結(jié)構上有金屬貼片陣。螺旋天線共形是在介質(zhì)結(jié)構表面纏繞金屬線。對于縫隙天線而言，開縫的導電體本身有較高的強度和剛度，需要用介質(zhì)結(jié)構把縫隙保護起來，這時的介質(zhì)結(jié)構可能就是一層較薄的介質(zhì)層，相當于天線罩中的薄壁結(jié)構。與傳統(tǒng)天線罩最接近的可能是雙/多模導引頭共形天線中的介質(zhì)結(jié)構，這里的介質(zhì)結(jié)構大概相當于陶瓷天線罩或類似耐高溫天線罩的毛坯。

3 結(jié)束語

近年來，共形天線在現(xiàn)代飛行器上的應用成為熱點問題，由于其能夠滿足飛行器新的功能要求，采用共形天線后，天線和天線罩將一體化，不再需要額外的天線罩來保護天線，能夠顯著改善飛行器的氣動特性、增大天線孔徑、降低載機的后向雷達散射截面，在航空航天領域有廣泛的應用前景。通過分析不同形式的共形天線單元、設計和制造方面的關鍵技術，以期對未來研究飛行器共形天線有所幫助。

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許 群 男，1966年生，研究員。研究方向為雷達罩設計和試驗。

王云香 女，1962年生，研究員。研究方向為雷達罩電性能設計仿真。

劉少斌 男，1965年生，博士生導師。研究方向為計算電磁學和天線設計。

鞏亞萍 女，1963年生，高級工程師。研究方向為非金屬材料及工藝。

An Overview on Conformal Antenna Technology for Aircraft

XU Qun1,2，WANG Yunxiang1,2，LIU Shaobin1，GONG Yaping2

(1. Department of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China) (2. Key Lab of High performance Electromagnetic Window for Aviation Science and Technology, Jinan 250031, China)

Conformal antenna has low profile characteristics.Conformal antenna improves dynamic and stealth performance of aircraft,enlarges airborne antenna aperture,properly resolves the contradictions of dual-mode seeker antenna aperture superimposed.The demand background,main function and research course of conformal antenna and conformal antenna array were reviewd. The characteristics of conformal antenna elements are analyzed，such as microstrip antenna, slot antenna, spiral antenna and coplanar waveguide antenna. The key technology of the conformal antenna in the design and manufacture is extracted. Effects of conformal antenna on radome is summarized.

conformal antenna; radome; conformal antenna array;dual-mode seeker;microstrip antenna;slot antenna

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.09.012

許群 Email：xuqun_jn@126.com

2015-04-30

2015-07-22

TN828

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