智能蒙皮天線分布式設(shè)計研究

摘 要： 探討智能蒙皮天線分布式設(shè)計總體方法，采用結(jié)構(gòu)功能一體化天線設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)智能蒙皮天線的子陣單元設(shè)計，然后研究空天飛行器的智能蒙皮天線分布式布局、分布式體系架構(gòu)以及功能實現(xiàn)。最后探討智能蒙皮天線分布式波束綜合方法，通過合理調(diào)用智能蒙皮天線子陣單元數(shù)和多空天飛行器聯(lián)合資源整合，實現(xiàn)智能蒙皮天線的波束自適應(yīng)；每個子陣單元均采用方向圖可重構(gòu)技術(shù)，實現(xiàn)智能蒙皮天線的高增益寬角域掃描，解決經(jīng)典相控陣天線在大掃描角度上陣列增益損失過大的缺陷；在寬帶分布式陣列波束合成上，采用基于數(shù)字延時的子陣波束合成方法，解決智能蒙皮天線分布式波束合成與對準。這些方法為進一步研究智能蒙皮天線奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 智能蒙皮天線； 分布式； 可重構(gòu)； 延時濾波； 波束對準； 自適應(yīng)

中圖分類號： TN82?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）17?0123?05

Abstract： The overall distributed design methods of smart skin antennas are discussed in this paper. The structure?function incorporate antenna design technique is used to realize the subarray unit design of smart skin antennas. The distributed layout， distributed system structure and function implementation of smart skin antennas of aerocraft are researched. The distributed beam synthetic method of smart skin antennas is discussed. The number of subarray cell of smart skin antennas is called reasonably and the joint resources of multi?aerocraft are integrated to realize the beam adaption of smart skin antennas. The pattern reconfigurable technique is adopted in each subarray unit to realize the high gain and wide angle scanning of smart skin antennas， and reduce the array gain loss of classical phased?array antenna within large scanning angle scope. The subarray beamforming method based on digital delay is used for wideband distributed array beamforming to realize the distributed beamforming and alignment of the smart skin antennas. These methods lay a technique foundation for further studying the smart skin antennas.

Keywords： smart skin antenna； distribution； reconfiguration； delay filtering； beam alignment； adaption

0 引 言

智能蒙皮天線是一項復雜的系統(tǒng)工程，從概念研究、單元級別的垂直互聯(lián)發(fā)展到演示功能原理的實驗樣件，智能蒙皮天線關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)歷了快速發(fā)展，取得了一系列技術(shù)突破。文獻[1]在1997年報道了智能蒙皮共形承載天線在機載平臺上的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，給出共形天線孔徑的設(shè)計、共形承載天線的組成與制造等一系列關(guān)鍵技術(shù)。作為美國的第六/七代飛行器的預(yù)先研究計劃之一，美國在2003年正式啟動了變形飛機結(jié)構(gòu)（MAS）項目，該傳感器系統(tǒng)的重要組成部分就是智能蒙皮天線，要求天饋系統(tǒng)設(shè)備與機體高度共形，具備一定的變形能力，以適應(yīng)機體變形飛行狀態(tài)并滿足天線電氣性能[2?3]。文獻[4]在2008年報道了一種智能蒙皮天線單元設(shè)計方法，采用蜂窩狀夾層結(jié)構(gòu)，將微帶天線單元嵌入其中，這種設(shè)計不但具有良好的承載能力，還具備優(yōu)秀的輻射性能，并將該智能蒙皮天線單元進行組陣設(shè)計，實現(xiàn)了±45°掃描。文獻[5]在2013年報道了可變形共形陣列的設(shè)計方法，通過嵌入在柔性陣列的電阻傳感器阻值的變化控制柔性陣列每個通道的衰減器和移相器，并進行射頻通道的幅相補償，實現(xiàn)柔性陣列的波束自適應(yīng)，從而驗證了智能蒙皮天線在空天飛行器上應(yīng)用的可行性。

最近，筆者研究了智能蒙皮天線的體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)方法[6]，提出在射頻功能層采用可重構(gòu)技術(shù)和在后端采用信號處理的方法，實現(xiàn)單個孔徑的智能蒙皮天線波束自適應(yīng)，解決傳統(tǒng)相控陣天線僅僅依靠信號處理方式實現(xiàn)天線波束自適應(yīng)的局限性。在2015年，筆者進一步報道了智能蒙皮天線的結(jié)構(gòu)功能一體化高密度集成設(shè)計方法[7]，將傳統(tǒng)天饋系統(tǒng)的天線陣面、收發(fā)電路、熱控裝置、饋電網(wǎng)絡(luò)等獨立組件高度集成并一體化成型，實現(xiàn)與空天飛行器平臺高度融合、并直接承載環(huán)境載荷的一類新型天線。目前，通過查閱大量文獻資料，國內(nèi)外很難找到關(guān)于智能蒙皮天線分布式設(shè)計方法的研究報道，本文針對空天飛行器平臺的應(yīng)用特點，在前期研究成果的基礎(chǔ)上[6?7]，進一步研究智能蒙皮天線的分布式總體設(shè)計方法、總體架構(gòu)以及波束綜合方法，為智能蒙皮天線的進一步研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 智能蒙皮天線分布式總體方案

1.1 智能蒙皮天線分布式布局

智能蒙皮天線分布式硬件架構(gòu)的核心思想是將不同規(guī)模、形狀各異、多種功能的寬帶/超寬帶智能蒙皮天線子陣單元分布于空天飛行器周身，取代傳統(tǒng)空天飛行器上眾多獨立功能的天線孔徑，將高度綜合化推進到天線射頻前端和集中式處理終端[8?10]，并實時控制天線射頻前端和集中式處理終端的資源，構(gòu)建出兼具多類任務(wù)管理，實現(xiàn)雷達探測、數(shù)據(jù)通信、導航識別、電子偵察、電子干擾、遙測遙感、態(tài)勢感知的智能化天饋系統(tǒng)。

如圖1所示，智能蒙皮天線子陣單元的體系架構(gòu)分為三大功能層，即射頻功能層、控制與信號處理功能層以及封裝功能層。每個智能蒙皮天線子陣單元可通過控制射頻功能層的可重構(gòu)輻射陣列和TR芯片，實現(xiàn)子陣單元的電磁輻射/散射可重構(gòu)，同時通過控制波控電路實現(xiàn)子陣單元的波束自適應(yīng)。整個智能蒙皮天線的分布式布局采用“分布式孔徑?子陣單元?集中式處理終端”的格局，把不同規(guī)模的子陣單元沿著空天飛行器表面共形布置，最大限度地利用空天飛行器表面積。

空天飛行器不同位置的子陣單元可獨立控制，實現(xiàn)多功能分時傳感器協(xié)同，或多個子陣單元分別工作于不同傳感器狀態(tài)形成同時傳感器協(xié)同（采用多種獨立信號波形），實現(xiàn)分布式多孔徑智能協(xié)同探測，形成更寬的視場角，瞬時進行大空域范圍的目標搜索以消除探測盲區(qū)，并能實現(xiàn)良好隱身。同時，多個子陣單元可進行射頻級信息融合，構(gòu)建通用、開放、可擴展的子陣天線系統(tǒng)，支持故障重構(gòu)、功能重構(gòu)，為空間信息網(wǎng)絡(luò)的電子偵察與對抗、雷達探測、空間態(tài)勢感知、通信與傳輸提供通用化的載荷平臺，在一個節(jié)點上實現(xiàn)多功能的綜合應(yīng)用，完成天饋系統(tǒng)的自診斷、自修復、自適應(yīng)。

1.2 智能蒙皮天線分布式體系架構(gòu)

圖2給出了智能蒙皮天線分布式體系架構(gòu)。若干個子陣單元通過子陣波束控制網(wǎng)絡(luò)、光纖信號網(wǎng)絡(luò)以及傳感控制網(wǎng)絡(luò)相連于集中式處理終端，實現(xiàn)資源的共享與任務(wù)分配。在透波防護承載層（封裝功能層）里集成了子陣單元的光纖傳感器和微機電開關(guān)，并通過傳感控制網(wǎng)絡(luò)將信息傳給集中式處理終端。射頻功能層主要包括可重構(gòu)陣列、TR多功能芯片、可重構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)以及高密度集成中頻信道，其中TR多功能芯片集成了收發(fā)開關(guān)、功率放大器、低噪放大器、移相器、饋電網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字控制、高速串行接口、溫度補償以及AD/DA串口等器件，并通過光纖信號網(wǎng)絡(luò)與集中式處理終端相連。控制與信號處理功能層主要由波控電路、低頻信號網(wǎng)絡(luò)以及DC電源組成，并通過子陣波束控制網(wǎng)絡(luò)與集中式處理終端相連。

智能蒙皮天線子陣單元采用結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計制造技術(shù)[7，11]，將天線的透波防護承載層、光纖傳感器、微機電開關(guān)、可重構(gòu)陣列、TR多功能芯片、熱控裝置、AD/DA轉(zhuǎn)換、波控電路、低頻信號網(wǎng)絡(luò)、DC電源等高密度集成，形成若干個“輕”“薄”的不同規(guī)模、不同形狀的寬帶/超寬帶相控陣天線。每個智能蒙皮天線子陣單元均具有獨立的功能，可獨立工作或與其他子陣單元聯(lián)合工作，通過感知外界電磁環(huán)境，產(chǎn)生所需要的輻射/散射特性。嵌入在透波防護承載層里的光纖傳感器實時感知空天飛行器蒙皮表面的應(yīng)力/阻值變化，確定智能蒙皮天線子陣單元在空天飛行器執(zhí)行任務(wù)過程中是否受到損壞，并把信息通過傳感控制網(wǎng)絡(luò)傳遞給集中式處理終端，實現(xiàn)智能蒙皮天線的故障自診斷。集中式處理終端根據(jù)自診斷結(jié)果，確定是否啟動故障隔離模式，并通過子陣波束控制網(wǎng)絡(luò)傳給子陣單元的波控電路，對其TR多功能芯片的工作狀態(tài)進行控制，并進行故障隔離，同時啟用冗余設(shè)計，讓其他子陣單元參與工作，確保智能蒙皮天線的性能，實現(xiàn)電磁性能的自修復。與此同時，集中式處理終端通過傳感控制網(wǎng)絡(luò)對智能蒙皮天線子陣單元的可重構(gòu)輻射陣列進行控制，完成可重構(gòu)輻射單元在目標方向的方向圖可重構(gòu)，同時根據(jù)用戶發(fā)送的角域指令，結(jié)合每個智能蒙皮天線子陣單元的實時位置信息，計算出每個子陣單元的波束偏離目標方向的角度，并把該角度信息通過子陣波束控制網(wǎng)絡(luò)傳送給子陣單元的波控電路，計算出位置信息補償碼，完成對TR多功能芯片幅度和相位的實時補償，實現(xiàn)每個智能蒙皮天線子陣單元波束與目標信號的對準。最后每個子陣單元的波控電路將計算好的移相碼發(fā)送給TR多功能芯片，完成智能蒙皮天線分布式波束的合成與掃描，最終實現(xiàn)智能蒙皮天線的波束自適應(yīng)。

2 智能蒙皮天線波束綜合方法

作為一種體系架構(gòu)，一旦將蒙皮天線技術(shù)賦予智能化設(shè)計，并與分布式天線概念相結(jié)合，就會產(chǎn)生新的系統(tǒng)架構(gòu)和新的研究課題?？仗祜w行器智能蒙皮天線采用分布式設(shè)計架構(gòu)，一個最為挑戰(zhàn)的問題就是方向圖的綜合。

2.1 智能蒙皮天線波束自適應(yīng)方法

智能蒙皮天線采用分布式硬件架構(gòu)，通過集中式處理終端對每個子陣單元進行獨立控制和組合，實現(xiàn)功能重構(gòu)，以滿足空天飛行器的多種傳感器功能。智能蒙皮天線根據(jù)用戶需求，對分布于空天飛行器周身的天線子陣單元實行自組織與最優(yōu)的資源調(diào)度，通過復雜環(huán)境的電磁感知，自適應(yīng)優(yōu)化工作方式，獲取最優(yōu)性能。

如圖3所示，當需要探測最大距離時，可最大化地將智能蒙皮天線子陣單元利用起來，獲得最大蒙皮天線孔徑，最大限度地利用多個子陣單元合成最大增益（情形1）；為了實現(xiàn)射頻動態(tài)隱身，減小輻射，用戶可通過集中式處理終端選擇部分智能蒙皮天線子陣單元，合成較小的孔徑增益（情形2）；在執(zhí)行多個任務(wù)和目標時，可將智能蒙皮天線子陣單元的可重構(gòu)陣列進行資源分組，合成不同功能的多個蒙皮天線孔徑，同時覆蓋多個目標，實現(xiàn)資源的最佳利用（情形3）。圖4表明，針對多個空天飛行器組合，可以實現(xiàn)多空天飛行器聯(lián)合的子陣單元資源調(diào)度，從而完成最佳資源整合，實現(xiàn)用戶需要的功能指標。

2.2 智能蒙皮天線波束掃描方法

智能蒙皮天線分布式設(shè)計的目的是希望能研制出一個共用的分布式射頻硬件平臺[12]，將雷達、通信、導航、識別、電子戰(zhàn)、遙感、遙測等多種功能集成在一起，利用一個公共的集中式處理終端，實現(xiàn)其功能，完成不同的任務(wù)。每個智能蒙皮天線子陣單元或多個子陣單元合成的蒙皮天線孔徑形成的多個波束需要具備大空域掃描的能力，以便搜索不同的目標。采用方向圖可重構(gòu)技術(shù)[13?14]，可大幅度提升大掃描角域的陣列天線增益，減少參與波束合成的子陣單元數(shù)目和降低RCS。圖5給出了智能蒙皮天線高增益寬角域掃描的實現(xiàn)方法，首先將待掃描空間劃分為多個掃描子區(qū)域，每個子區(qū)域由方向圖可重構(gòu)天線的一個模式對應(yīng)覆蓋，然后當天線在一個子區(qū)域進行掃描時，每個可重構(gòu)單元都處于方向圖覆蓋該區(qū)域的模式，從而使用多模式聯(lián)合覆蓋實現(xiàn)大角度掃描，該方法可解決經(jīng)典相控陣天線在大掃描角度上陣列增益損失過大的缺陷。

對于任意曲面智能蒙皮天線，要實現(xiàn)高增益陣列天線大掃描角全空域覆蓋，需要劃分8個子區(qū)域，每個子區(qū)域?qū)?yīng)方向圖可重構(gòu)天線的一個模式；當智能蒙皮天線波束掃描在子區(qū)域1時，需要啟動方向圖可重構(gòu)天線的模式1，如圖6所示，從而實現(xiàn)子區(qū)域1的高增益掃描覆蓋，其他子區(qū)域和對應(yīng)模式實現(xiàn)方法相同，最終通過8個模式聯(lián)合覆蓋實現(xiàn)大角度掃描和智能蒙皮天線的高增益。

2.3 智能蒙皮天線波束賦形與對準

波束賦形是分布式天線方向圖綜合的核心問題[15]，智能蒙皮天線分布式設(shè)計的最大難點就是大規(guī)模寬帶陣列的波束形成與對準。大規(guī)模寬帶陣列的信號合成面臨兩個挑戰(zhàn)：一是“空間色散”現(xiàn)象，即信號頻率的偏移，會導致智能蒙皮天線波束指向出現(xiàn)偏移，并隨著信號頻率的增加，主瓣寬度也會改變，頻率越高，主瓣寬度越??；二是“時間色散”現(xiàn)象，即大孔徑渡越時間會造成智能蒙皮天線每個輻射陣元的信號無法同相疊加，最終合成輸出的是一個畸形包絡(luò)脈沖信號。解決上述問題的方法是采用數(shù)字延時的子陣波束合成技術(shù)，即把整個智能蒙皮天線劃分為多個分布式子陣，每個子陣是獨立的智能蒙皮天線子陣單元，然后把每個子陣單元輸出信號進行延時校正，最終實現(xiàn)接收信號的波束合成和與目標信號的對準，如圖7所示。而對于發(fā)射狀態(tài)，可根據(jù)接收狀態(tài)的補償權(quán)值，計算出發(fā)射頻率的陣列相應(yīng)權(quán)值，完成發(fā)射狀態(tài)的補償，最終實現(xiàn)智能蒙皮天線發(fā)射信號的空間功率合成。

為了實現(xiàn)智能蒙皮天線陣列的波束合成與對準，系統(tǒng)需要完成兩個步驟：第一是每個子陣單元的波束合成和與目標對準；第二是所有分布式子陣單元的信號合成。每個子陣單元的波束合成和與目標信號的對準可以利用陣列信號處理進行空間譜估計的方法實現(xiàn)，或者利用電子羅盤和空天飛行器航電系統(tǒng)信息，建立機身、地球、子陣單元三個坐標系，經(jīng)過兩次坐標歐拉變換，獲取子陣單元相對于目標信號偏離的角度，計算出子陣單元每個通道的權(quán)值，實現(xiàn)每個子陣單元的波束合成和與目標對準。所有分布式子陣的信號合成可采用延時濾波器的設(shè)計方法，如Farrow濾波器方法，該方法只需改變Farrow濾波器的輸入延時參數(shù)，就可以實現(xiàn)信號合成。

圖8給出了采用傳統(tǒng)方法和Farrow濾波器設(shè)計方法仿真的12個子陣的信號合成例子，為了便于編程實現(xiàn)，假設(shè)每個子陣規(guī)模均取為8×8，子陣之間的間距取為2個波長，“一”字排開，中心頻率為30.2 GHz，帶寬為1.6 GHz， Farrow濾波器階數(shù)取為26，信號合成的波束指向為45°。從圖8可以看出，傳統(tǒng)方法情況下，天線工作頻率由中心頻率30.2 GHz移至邊頻29.4 GHz時，陣列波束主瓣指向出現(xiàn)1.5°偏差，即指向變?yōu)?6.5°，而采用Farrow濾波器設(shè)計方法時，天線工作頻率由中心頻率30.2 GHz移至邊頻29.4 GHz時，智能蒙皮天線陣列波束指向偏差僅為0.01°。

3 結(jié) 論

智能蒙皮天線采用分布式設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)波束自適應(yīng)，需要在時間、空間、頻率、能量四個維度對系統(tǒng)資源進行“智能化”的配置管理，并將整個載體平臺劃分成不同的區(qū)域，每個區(qū)域既可以形成不同的波束，也可以形成合成波束照射目標，每個區(qū)域相當于一部獨立工作的電子設(shè)備，能完成預(yù)定的任務(wù)，區(qū)域之間又能協(xié)同工作，同時實現(xiàn)多種功能。本文主要探討了智能蒙皮天線的分布式設(shè)計總體方法，給出了空天飛行器的智能蒙皮天線分布式布局、分布式體系架構(gòu)以及波束綜合方法，為下一步研制空天飛行器智能蒙皮天線原理樣機奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖8 波束形成與對準的數(shù)值仿真

Fig. 8 Numerical simulation of beamforming and alignment

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