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相控阵天线的进化——共形阵天线技术发展现状及趋势

日期: 2018-10-17
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共形阵天线是和物体外形保持一致的天线阵,将天线阵面与载体外形“共形”,增强了适应性,相对于平面阵天线有很大的优势。在现代无线通信系统中,共形阵天线由于能够与飞机、导弹以及卫星等高速运行的载体平台表面相共形,且并不破坏载体的外形结构及空气动力学等特性,成为天线领域的一个研究热点,是新世纪相控阵雷达发展的一个重要方向。其中,柔性共形阵天线(后面重点介绍)是更先进的一种共形阵天线技术,不仅可以和任意曲面共形,能够随着外形变化进行动态调整适应而且对于飞行器因气动、冷热等引起的振动和外形变化具有更好的适应性。目前中国、美国、日本都在进行相关研究,中国已经研制成功采用圆柱阵的相控阵雷达和直升机共形天线。


共形阵天线技术发展历史

共形阵的研究实际上很早就开始了,上世纪30年代雷达刚刚出现的时候,科学家就开始对圆环阵、圆锥阵等特别形状天线进行研究,它们被视为共形阵的基础和突破口。上世纪80年代以后,随着信息革命的爆发,微电子技术迅速发展,一系列新器件、工艺的出现,为共形阵的运用打下了坚实的基础,目前共形阵已经开始部分实用,共形相控阵天线已经运用到各种雷达,如地面、舰载、机载探测雷达,电子 战系统、通信系统等,运用领域也越来越广泛。

相控阵天线的进化——共形阵天线技术发展现状及趋势

 

共形阵天线技术特点

传统的相控阵雷达天线一般采用线阵或者平面阵,它的优点就是结构比较简单,技术处理比较容易,各方面理论比较成熟,因此费用、成本等较低,是目前相控阵雷达广泛使用的天线形式。不过平面相控阵天线也有自己一些先天的不足之处,限制它进一步的发展。


决定雷达探测距离两个参数:孔径和功率。想提高雷达的探测距离,就必须提高雷达的孔径,但是飞机上空间有限,难以找到较大的空间给平面阵,这样共形阵就出现了,共形阵最大的特点就是能够和载体表面共形,这样的话,就可以有效的扩展雷达天线的孔径,相应的也就提高雷达的探测距离,另外还可以实现对以前无法探测的区域,如作战飞机的后部,进行探测,扩展探测范围是共形阵另外一个优点,它可以将平面相控阵正负60长的扫描限制,扩展到半球乃至3/4球区域,并且在扫描过程中保证天线和雷达的性能不至有较大的下降。另外由于作战飞机的机体内不需要安装雷达,那么机内的空间可以用来安装其他设备、燃料,从而增加飞机的载荷,让机体内有限的空间得到充分的利用,另外共形天线也有助于提高设备的结构强度,减少体积和重量。

相比于平面阵天线,共形阵天线的分析与综合更为复杂。一般地,对共形阵天线的综合并不仅仅是对其方向图的综合,而且在设计的初始阶段就要考虑共形阵列天线的形状、阵列单元的形式以及其分布等问题。另外,在设计中还要考虑共形载体以及单元间互耦效应对阵列以及阵列单元的谐振频率、带宽和极化等性能的影响。因此,共形阵列天线的设计是一个复杂的系统问题,对该问题很难有一个严格而精确的解决方法,通常采用数值分析方法进行研究。目前,常用的数值分析方法主要有基于积分方程的矩量法(MOM)及其快速算法,基于微分方程的时域有限差分法(FDTD)和有限元法(FEM)等。然而,对共形阵天线矩量法的分析,通常是采用与载体平台共形的坐标系中的格林函数,这种方法的确很有用,但是对于复杂的平台分析的难度很大。

相控阵天线的进化——共形阵天线技术发展现状及趋势

 

我国对共形天线的研究

我国从上世纪7、80年代开始共形阵的研究,90年代着手共形阵天线阵元的研究,完成了样机的研制,进入新世纪开始进行共形相控阵天线的研制,在2012年珠海航展上首次公开展出CS/RB1雷达,从相关图片来看,它采用了圆柱共形相控阵设计,具备360度探测能力,工作在L波段,适合要低防空、快速投送以及反火力作战,可用于探测敌方迫击炮弹并定位其发射阵地,作为拦截和反击火力武器系统的警戒与跟踪雷达,也可用于校正己方迫击炮的射击;可人工携带,可适应各种运输机、直升机空投的要求,机动性强,操作、部署简便,适合快速投送;在要地防空系统中担负各类低空目标的探测任务。CS/RB1雷达的出现标志着我国的共形相控阵雷达技术已经从实验室走向部队和国际市场。

 

相控阵天线的进化——共形阵天线技术发展现状及趋势


我国研制的CS/RB1圆柱阵相控阵雷达

国内首款直升机共形天线研制成功

近日,中国航空工业集团有限公司自主研制的首款直升机共形天线通过电性能摸底试验,结果表明共形天线电性能测试结果符合预期,标志着国内首款直升机共性天线研制成功,将在国内直升机型号中实现装机应用。


欧美国家对共形天线的研究

欧美等发达国家很早就认识到共形阵天线的优势,但已有的共形阵天线应用还仅是将共形阵阵面设计成既定形状,如圆筒形或半球形,被动地适应载体外形,多应用于地面和舰载的雷达天线。而在飞行器上,由于使用环境复杂,共形阵的应用面临的技术难题更多。


1960年美国海军航空司令部开始着手研究用于飞机和导弹蒙皮上的共形相控阵天线,1973年美国研制了球形相控阵天线和圆环相控阵天线。

美海军圆柱形共形阵可实现360°探测

根据相关资料:美国海军协同交战系统使用的舰载通信终端就采用了圆柱形共形相控阵天线,它由 96条列馈组成,每条列馈上有10个阵元由微带天线分配网络相联,前苏联曾经研制成功有用圆柱形共形相控阵天线的空中交通控制雷达,它的最大探测距离可以 达到400公里,可以实现360度探测,最多可以掌握100批目标,美国也完成了采用光控的宽形共形相控阵天线的研制。

2004年美国空军和雷神公司开始 了X波段薄型相控阵雷达的研究,而它采用的就是共形天线,欧洲的EADS也在研制一种为无人机用的两维曲面电子扫描天线进行测试。这种天线阵列不需要机械装置,曲面天线阵列放置在机身表面,而是成为机体结构的一部分。它不仅要收发电磁波,还要能够经受风雨以及外物的冲击。减少了体积和重量,提高了系统的可靠性。

美国空军还曾支持多个共形阵天线项目,例如,在“结构一体化X波段阵列”(SIXA)项目中,波音707飞机机翼上曾安装过一个64单元的共形阵阵天线,长约6m;在“传感器飞机共形低波段天线结构”(S-CLAS)项目中,在飞机机翼的前缘安装了有源相控阵列,用来进行共形阵雷达系统试验,通过自适应处理手段可以克服机身的变形和机翼的抖动所带来的影响。

上述两个项目只是研究机翼弯曲对阵列性能的影响及弯曲补偿技术,而最接近型号应用的是在美国空军“传感器飞机”(SensorCraft)项目中专门为该机制造的尺寸3~6m的超高频共形有源相控阵雷达天线,并将它集成到机翼中进行了风洞试验;另外还已制成0.37m2的X波段共形有源相控阵雷达天线。

日本对共形天线的研究

日本在信息技术和微电子技术方面一直处于世界领先地位,这些技术积累为研究共形阵天线技术提供了坚实的基础。日本原防卫技术研究本部(现已整合到防卫省装备厅)的电子装备研究所在2013年对外公布了其正在牵头研发的柔性共形阵天线,在实用性方面具有很大的突破,解决了大部分共形阵天线所面临的问题。

日本这个项目的研制目标是面向未来航空装备,用于取代机内雷达天线,其实现的柔性共形阵天线技术主要实现了三点:天线可以任意角度弯曲;天线传感器可以根据弯曲状态检测曲率,自动修正电磁波相位;通过对天线在弯曲状态下与平面状态下的增益效果进行对比,验证了自动修正电磁波的技术可行性。

相控阵天线的进化——共形阵天线技术发展现状及趋势

 

日本研制的这种天线上附有传感器,可以检测天线的弯曲曲率,通过计算曲率半径得出各个元件的坐标,然后自动调整各个元件的相位,形成指定方向的电磁波束。防卫技术本部在微波暗室中对弯曲状态的柔性共形阵天线的增益效果进行了验证,确认在指定方向上形成了电磁波束,证明柔性共形阵天线对电磁波进行修正是有效的。

相控阵天线的进化——共形阵天线技术发展现状及趋势

 

日本的这项柔性共形阵天线技术研究的目标,就是针对现在的飞机设计中如果需要大口径天线就必须使机头的直径较大,而柔性天线技术可以把天线安装在飞机外部,和机身表面外形相匹配,取代机内雷达天线,避免机内热管理和电磁兼容等问题。柔性共形阵天线能够适应任何曲面形状,并且其柔性共形阵天线在构造上轻薄、重量小,具有很好的搭载适应性。这样相对于固定形状的共形天线,柔性共形天线使天线不需要再为适应飞机外形而进行专门设计,而且能够适应飞机气动和热胀冷缩的外形改变。

相控阵天线的进化——共形阵天线技术发展现状及趋势

 

柔性共形阵天线技术新趋势

柔性共形阵天线技术如果发展成熟,具有很广泛的军事用途,也将改变传统飞机设计理念,对于提高作战系统的探测能力大有裨益,尤其在隐身航空装备发展迅速的今天,更具有现实意义。

第一,柔性共形阵天线可以安装在航空装备不同曲率的表面,航空装备可以设计成最优的气动外形,而无需为安装天线阵面而付出额外的气动代价。适合用于机翼变形比较大的大展弦比机翼的飞机,大型预警机可以充分利用机身表面积和大翼展布置天线,大幅提升探测能力,而不再需要额外背负“圆盘”或“平衡木”之类的机外天线;或者高空长航时无人侦察机,采用柔性共形阵天线可以实现大口径雷达探测,满足其广域侦察能力需求。

第二,柔性共形阵天线可以不占用机内空间,腾出的空间可以用来安装其他设备、燃料,从而增加飞机的载荷,使机体内有限的空间得到充分的利用,另外也有助于提高设备的结构强度,减少体积和重量,有助于提高载机的机动性及战场的生存能力。这对战斗机或导弹之类的空间紧凑型航空装备具有巨大优势,如果战斗机能在机身表面集成共形阵天线取代机内平面阵雷达天线,可以将机头空间留给其他更重要的机载设备,可以多载燃油增加航程,可以搭载更多的机载武器。雷达制导的导弹如果在表面安装共形阵天线,可以降低了导引头的尺寸和重量,弹体内节省的空间可以安装更大的战斗部或携带更多的燃料,也可以大幅缩小弹体尺寸增加便携性,提高机动性。

第三,柔性共形阵天线扩大了可进行态势探测的平台范围。任何飞机都容易被改装用于情报搜集,机翼、机门或机身都可以成为天线,任何有人驾驶飞机或无人机都可以执行监视任务,而无需为适应雷达天线而开发专门的监视飞机。

第四,共形阵天线不仅可以用于雷达探测和通信,也可能提供新的电子战作战方式,极大地改善电子攻击效能。利用大型共形阵的高功率孔径积可以探测敌方的通信,可以对付许多X波段的雷达和大量短波通信。曾有专家设想用共形阵天线包裹导弹大小的无人作战飞机,快速抵达敌方目标附近,在近距离上产生具有毁伤作用的尖峰功率,从而对敌设施进行电子攻击。

综合总结

虽然各国在共形阵取得了较大的突破,但是一些深层次问题仍旧没有得到很好的解决,限制共形阵 进一步的发展,例如,共形阵一大难点就是要保证阵列所有单元有相同的方向图、最大值指向和一致的极化取向,但是共形阵的各天线阵元并不在一个阵面上,因此 共形阵的分析和工程实现难度非常大。共形阵扫描的时候,阵元工作的通断切换和幅相加权变化多端,相应的馈电网络功率分配、波束控制需要实时解决,另外共形 阵中,不同位置阵元有各自的电环境,因此在天线工作的时候,如何解决有源输入阻抗匹配是需要解决的关键问题,对飞机和导弹这样的载体来说身振动和动态变形对于天线阵面还要较大的影响,需要在实用中加以解决。


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