共形陣天線是和物體外形保持一致的天線陣,將天線陣面與載體外形“共形”,增強了適應性,相對于平面陣天線有很大的優勢。在現代無線通信系統中,共形陣天線由于能夠與飛機、導彈以及衛星等高速運行的載體平臺表面相共形,且并不破壞載體的外形結構及空氣動力學等特性,成為天線領域的一個研究熱點,是新世紀相控陣雷達發展的一個重要方向。其中,柔性共形陣天線(后面重點介紹)是更先進的一種共形陣天線技術,不僅可以和任意曲面共形,能夠隨著外形變化進行動態調整適應而且對于飛行器因氣動、冷熱等引起的振動和外形變化具有更好的適應性。目前中國、美國、日本都在進行相關研究,中國已經研制成功采用圓柱陣的相控陣雷達和直升機共形天線。

共形陣天線技術發展歷史

共形陣的研究實際上很早就開始了,上世紀30年代雷達剛剛出現的時候,科學家就開始對圓環陣、圓錐陣等特別形狀天線進行研究,它們被視為共形陣的基礎和突破口。上世紀80年代以后,隨著信息革命的爆發,微電子技術迅速發展,一系列新器件、工藝的出現,為共形陣的運用打下了堅實的基礎,目前共形陣已經開始部分實用,共形相控陣天線已經運用到各種雷達,如地面、艦載、機載探測雷達,電子 戰系統、通信系統等,運用領域也越來越廣泛。

共形天線已經走入實用

共形陣天線技術特點

傳統的相控陣雷達天線一般采用線陣或者平面陣,它的優點就是結構比較簡單,技術處理比較容易,各方面理論比較成熟,因此費用、成本等較低,是目前相控陣雷達廣泛使用的天線形式。不過平面相控陣天線也有自己一些先天的不足之處,限制它進一步的發展。

決定雷達探測距離兩個參數:孔徑和功率。想提高雷達的探測距離,就必須提高雷達的孔徑,但是飛機上空間有限,難以找到較大的空間給平面陣,這樣共形陣就出現了,共形陣最大的特點就是能夠和載體表面共形,這樣的話,就可以有效的擴展雷達天線的孔徑,相應的也就提高雷達的探測距離,另外還可以實現對以前無法探測的區域,如作戰飛機的后部,進行探測,擴展探測范圍是共形陣另外一個優點,它可以將平面相控陣正負60長的掃描限制,擴展到半球乃至3/4球區域,并且在掃描過程中保證天線和雷達的性能不至有較大的下降。另外由于作戰飛機的機體內不需要安裝雷達,那么機內的空間可以用來安裝其他設備、燃料,從而增加飛機的載荷,讓機體內有限的空間得到充分的利用,另外共形天線也有助于提高設備的結構強度,減少體積和重量。

相比于平面陣天線,共形陣天線的分析與綜合更為復雜。一般地,對共形陣天線的綜合并不僅僅是對其方向圖的綜合,而且在設計的初始階段就要考慮共形陣列天線的形狀、陣列單元的形式以及其分布等問題。另外,在設計中還要考慮共形載體以及單元間互耦效應對陣列以及陣列單元的諧振頻率、帶寬和極化等性能的影響。因此,共形陣列天線的設計是一個復雜的系統問題,對該問題很難有一個嚴格而精確的解決方法,通常采用數值分析方法進行研究。目前,常用的數值分析方法主要有基于積分方程的矩量法(MOM)及其快速算法,基于微分方程的時域有限差分法(FDTD)和有限元法(FEM)等。然而,對共形陣天線矩量法的分析,通常是采用與載體平臺共形的坐標系中的格林函數,這種方法的確很有用,但是對于復雜的平臺分析的難度很大。

圓柱陣是共形陣的基礎

我國對共形天線的研究

我國從上世紀7、80年代開始共形陣的研究,90年代著手共形陣天線陣元的研究,完成了樣機的研制,進入新世紀開始進行共形相控陣天線的研制,在2012年珠海航展上首次公開展出CS/RB1雷達,從相關圖片來看,它采用了圓柱共形相控陣設計,具備360度探測能力,工作在L波段,適合要低防空、快速投送以及反火力作戰,可用于探測敵方迫擊炮彈并定位其發射陣地,作為攔截和反擊火力武器系統的警戒與跟蹤雷達,也可用于校正己方迫擊炮的射擊;可人工攜帶,可適應各種運輸機、直升機空投的要求,機動性強,操作、部署簡便,適合快速投送;在要地防空系統中擔負各類低空目標的探測任務。CS/RB1雷達的出現標志著我國的共形相控陣雷達技術已經從實驗室走向部隊和國際市場。

我國研制的CS/RB1圓柱陣相控陣雷達

國內首款直升機共形天線研制成功

近日,中國航空工業集團有限公司自主研制的首款直升機共形天線通過電性能摸底試驗,結果表明共形天線電性能測試結果符合預期,標志著國內首款直升機共性天線研制成功,將在國內直升機型號中實現裝機應用。

中國頂級雷達專家賁德院士座客衛視,透露了14所正在研制一種科幻技術——機載共形陣雷達,通俗地說叫“靈巧蒙皮”。

歐美國家對共形天線的研究

歐美等發達國家很早就認識到共形陣天線的優勢,但已有的共形陣天線應用還僅是將共形陣陣面設計成既定形狀,如圓筒形或半球形,被動地適應載體外形,多應用于地面和艦載的雷達天線。而在飛行器上,由于使用環境復雜,共形陣的應用面臨的技術難題更多。

美國空軍對“傳感器飛機”的機翼進行風動試驗

1960年美國海軍航空司令部開始著手研究用于飛機和導彈蒙皮上的共形相控陣天線,1973年美國研制了球形相控陣天線和圓環相控陣天線。

美海軍圓柱形共形陣可實現360°探測

根據相關資料:美國海軍協同交戰系統使用的艦載通信終端就采用了圓柱形共形相控陣天線,它由 96條列饋組成,每條列饋上有10個陣元由微帶天線分配網絡相聯,前蘇聯曾經研制成功有用圓柱形共形相控陣天線的空中交通控制雷達,它的最大探測距離可以 達到400公里,可以實現360度探測,最多可以掌握100批目標,美國也完成了采用光控的寬形共形相控陣天線的研制。

2004年美國空軍和雷神公司開始 了X波段薄型相控陣雷達的研究,而它采用的就是共形天線,歐洲的EADS也在研制一種為無人機用的兩維曲面電子掃描天線進行測試。這種天線陣列不需要機械裝置,曲面天線陣列放置在機身表面,而是成為機體結構的一部分。它不僅要收發電磁波,還要能夠經受風雨以及外物的沖擊。減少了體積和重量,提高了系統的可靠性。

美國空軍還曾支持多個共形陣天線項目,例如,在“結構一體化X波段陣列”(SIXA)項目中,波音707飛機機翼上曾安裝過一個64單元的共形陣陣天線,長約6m;在“傳感器飛機共形低波段天線結構”(S-CLAS)項目中,在飛機機翼的前緣安裝了有源相控陣列,用來進行共形陣雷達系統試驗,通過自適應處理手段可以克服機身的變形和機翼的抖動所帶來的影響。

上述兩個項目只是研究機翼彎曲對陣列性能的影響及彎曲補償技術,而最接近型號應用的是在美國空軍“傳感器飛機”(SensorCraft)項目中專門為該機制造的尺寸3~6m的超高頻共形有源相控陣雷達天線,并將它集成到機翼中進行了風洞試驗;另外還已制成0.37m2的X波段共形有源相控陣雷達天線。

日本對共形天線的研究

日本在信息技術和微電子技術方面一直處于世界領先地位,這些技術積累為研究共形陣天線技術提供了堅實的基礎。日本原防衛技術研究本部(現已整合到防衛省裝備廳)的電子裝備研究所在2013年對外公布了其正在牽頭研發的柔性共形陣天線,在實用性方面具有很大的突破,解決了大部分共形陣天線所面臨的問題。

日本這個項目的研制目標是面向未來航空裝備,用于取代機內雷達天線,其實現的柔性共形陣天線技術主要實現了三點:天線可以任意角度彎曲;天線傳感器可以根據彎曲狀態檢測曲率,自動修正電磁波相位;通過對天線在彎曲狀態下與平面狀態下的增益效果進行對比,驗證了自動修正電磁波的技術可行性。

柔性天線可以實現任意角度的彎曲

日本研制的這種天線上附有傳感器,可以檢測天線的彎曲曲率,通過計算曲率半徑得出各個元件的坐標,然后自動調整各個元件的相位,形成指定方向的電磁波束。防衛技術本部在微波暗室中對彎曲狀態的柔性共形陣天線的增益效果進行了驗證,確認在指定方向上形成了電磁波束,證明柔性共形陣天線對電磁波進行修正是有效的。

試制的柔性共形陣天線在電波暗室內進行試驗,驗證自動修正電磁波的技術可行性

日本的這項柔性共形陣天線技術研究的目標,就是針對現在的飛機設計中如果需要大口徑天線就必須使機頭的直徑較大,而柔性天線技術可以把天線安裝在飛機外部,和機身表面外形相匹配,取代機內雷達天線,避免機內熱管理和電磁兼容等問題。柔性共形陣天線能夠適應任何曲面形狀,并且其柔性共形陣天線在構造上輕薄、重量小,具有很好的搭載適應性。這樣相對于固定形狀的共形天線,柔性共形天線使天線不需要再為適應飛機外形而進行專門設計,而且能夠適應飛機氣動和熱脹冷縮的外形改變。

柔性天線測試結果(注:藍色為平面狀態紅色為未進行電磁波修正綠色為進行電磁波修正)

柔性共形陣天線技術新趨勢

柔性共形陣天線技術如果發展成熟,具有很廣泛的軍事用途,也將改變傳統飛機設計理念,對于提高作戰系統的探測能力大有裨益,尤其在隱身航空裝備發展迅速的今天,更具有現實意義。

第一,柔性共形陣天線可以安裝在航空裝備不同曲率的表面,航空裝備可以設計成最優的氣動外形,而無需為安裝天線陣面而付出額外的氣動代價。適合用于機翼變形比較大的大展弦比機翼的飛機,大型預警機可以充分利用機身表面積和大翼展布置天線,大幅提升探測能力,而不再需要額外背負“圓盤”或“平衡木”之類的機外天線;或者高空長航時無人偵察機,采用柔性共形陣天線可以實現大口徑雷達探測,滿足其廣域偵察能力需求。

第二,柔性共形陣天線可以不占用機內空間,騰出的空間可以用來安裝其他設備、燃料,從而增加飛機的載荷,使機體內有限的空間得到充分的利用,另外也有助于提高設備的結構強度,減少體積和重量,有助于提高載機的機動性及戰場的生存能力。這對戰斗機或導彈之類的空間緊湊型航空裝備具有巨大優勢,如果戰斗機能在機身表面集成共形陣天線取代機內平面陣雷達天線,可以將機頭空間留給其他更重要的機載設備,可以多載燃油增加航程,可以搭載更多的機載武器。雷達制導的導彈如果在表面安裝共形陣天線,可以降低了導引頭的尺寸和重量,彈體內節省的空間可以安裝更大的戰斗部或攜帶更多的燃料,也可以大幅縮小彈體尺寸增加便攜性,提高機動性。

第三,柔性共形陣天線擴大了可進行態勢探測的平臺范圍。任何飛機都容易被改裝用于情報搜集,機翼、機門或機身都可以成為天線,任何有人駕駛飛機或無人機都可以執行監視任務,而無需為適應雷達天線而開發專門的監視飛機。

第四,共形陣天線不僅可以用于雷達探測和通信,也可能提供新的電子戰作戰方式,極大地改善電子攻擊效能。利用大型共形陣的高功率孔徑積可以探測敵方的通信,可以對付許多X波段的雷達和大量短波通信。曾有專家設想用共形陣天線包裹導彈大小的無人作戰飛機,快速抵達敵方目標附近,在近距離上產生具有毀傷作用的尖峰功率,從而對敵設施進行電子攻擊。

綜合總結

雖然各國在共形陣取得了較大的突破,但是一些深層次問題仍舊沒有得到很好的解決,限制共形陣 進一步的發展,例如,共形陣一大難點就是要保證陣列所有單元有相同的方向圖、最大值指向和一致的極化取向,但是共形陣的各天線陣元并不在一個陣面上,因此 共形陣的分析和工程實現難度非常大。共形陣掃描的時候,陣元工作的通斷切換和幅相加權變化多端,相應的饋電網絡功率分配、波束控制需要實時解決,另外共形 陣中,不同位置陣元有各自的電環境,因此在天線工作的時候,如何解決有源輸入阻抗匹配是需要解決的關鍵問題,對飛機和導彈這樣的載體來說身振動和動態變形對于天線陣面還要較大的影響,需要在實用中加以解決。

轉載于微波射頻網

如何正確測量天線的阻抗
淺談天線噪聲溫度測試

上一篇

下一篇

相控陣天線的進化——共形陣天線技術發展現狀及趨勢

本網站由阿里云提供云計算及安全服務 Powered by CloudDream
甘肃11选5 360 北京11选5一百期 重庆幸运农场十分钟开奖 brt快3线 甘肃十一选五任5推荐号 股票涨跌主要看什么 快3十大必中技巧 七星彩复式怎么玩 青海体彩11选5分布 杭州垫资炒股股票配资公司 浙江十一选五计算器