機載隱身天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及應(yīng)用

張哲軍

[摘? ? 要]機載隱身天線設(shè)計是具有高隱身性能的先進戰(zhàn)斗機的隱形性能設(shè)計問題的重要。簡單介紹了隱形雷達形狀的基本原理，重點是以下外形設(shè)計方法與隱身空中天線和結(jié)構(gòu)的詳細細化原則。為了減少這些天線的RCS，將說明這些方法和原理應(yīng)用于實際天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，并給出了工程的例子。

[關(guān)鍵詞]隱身天線;結(jié)構(gòu)設(shè)計;雷達散射截面

[中圖分類號]TN820;V243.4 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）06–00–03

Structural Design Method and Application of Airborne Stealth Antenna

Zhang Zhe-jun

[Abstract]The design of airborne stealth antenna is very important for the stealth performance design of advanced fighter with high stealth performance. This paper briefly introduces the basic principle of stealth radar shape， focusing on the following shape design methods and detailed refinement principles of stealth aerial antenna and structure. In order to reduce the RCS of these antennas， the application of these methods and principles to the structural design of practical antennas is illustrated， and an engineering example is given.

[Keywords]stealth antenna; structural design; radar cross section

如果飛機的RCS值有效降低的話，被敵人目標雷達檢測到的可能性就會降低，可以保護飛機不受攻擊，大大提高飛機在戰(zhàn)場上的生存率。整體飛機的隱身設(shè)計考慮到雷達隱身、紅外隱身、RF隱身等。如果是船等其他大規(guī)模集成系統(tǒng)的話，大部分的飛機系統(tǒng)載機尺寸小，空間有限。作為一個完整的多功能系統(tǒng)，在非常困難的宇宙環(huán)境中，必須配備多個電子設(shè)備和天線（導(dǎo)航系統(tǒng)天線、通信系統(tǒng)天線、任務(wù)系統(tǒng)天線）。這些天線比較暴露。要降低整個飛機的隱身指標，很多暴露的天線都需要采用隱身設(shè)計。降低暴露天線的RCS值最直接的方法是將天線設(shè)計為共形天線和內(nèi)埋天線。但是，如果飛機的形狀是固定的并且裝載空間是有限的，那么很難實現(xiàn)低頻段上的成型天線設(shè)計，因此目標是以成本低、接近隱身的飛機為目標，文件是改善暴露在飛機上的低頻天線的隱身性能建議對策，改善對策有效，通過模擬和測試驗證是否能達成。

1 天線設(shè)計難點

主要天線設(shè)計的難度如下。首先，帶寬寬，工作頻帶低。設(shè)計1/8單極天線的話，高度會增加，對RCS指數(shù)有很大的影響。為了降低高度需要增加匹配網(wǎng)絡(luò)，制作技術(shù)很難。第二，必要的重量很大。因為頻帶的帶寬大，難以縮小天線尺寸，所以在滿足強度要求的前提下難以保證重量要求。第三，必須提高RCS指數(shù)，一般的RCS設(shè)計方式主要考慮結(jié)構(gòu)和適合設(shè)計。理想的構(gòu)造是，通常使用微帶天線的薄型圓形低剖面結(jié)構(gòu)。微帶天線只有10%，輻射面的要求很大。另外，因為頻帶太寬，天線設(shè)計需要考慮分段設(shè)計和頻帶的切換，因為很復(fù)雜，所以很難采用滿足安裝條件的適合系統(tǒng)，需要根據(jù)現(xiàn)有的網(wǎng)站天線，對形狀進行優(yōu)化、設(shè)置方法的變更等對策，添加涂敷材料以降低天線的RCS值。

2 機載隱身天線結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

機載隱身天線結(jié)構(gòu)設(shè)計主要用外形隱身技術(shù)和雷達吸波材料技術(shù)，大大降低了飛機的RCS，大大提高了隱身性能。

許多研究和實踐表明，由機載天線的RCS特性和飛機平臺上的隱身布局形成的強散射特性，對整個飛機的隱身效果產(chǎn)生了很大的影響，成為了一個問題。如果不能有效控制這些天線的散射特性，那么通過形狀和材料的隱身實現(xiàn)的整個飛機的高隱身水平將會大大降低。不僅保證在獨自的工作頻帶內(nèi)的電磁信號的正常收發(fā)，還保證在整個隱身工作頻帶內(nèi)對電磁信號的低RCS響應(yīng)。過去10年間進行了很多研究，有了一定的進展。此文檔顯示了問題的概述。提出了機載綜合射頻孔徑系統(tǒng)的一部分和幾個RCS削減概念方案。

一些專家討論和研究了機載多功能相控陣系統(tǒng)的射頻隱身問題，并指出了相控陣系統(tǒng)的RCS減縮技術(shù)的方向性。提出了一種基于共振特性和特性的隱形圓頂。超材料元素的頻率選擇。為了提高天線的隱形性能，對天線工作頻帶以外的電磁波有良好的吸收效果，研究和提案了與多個天線組合的典型的千鳥開口機構(gòu)。對應(yīng)的RCS削減策略現(xiàn)在，大部分的研究把焦點放在模態(tài)項（與天線輻射特性相關(guān)的RCS削減及控制技術(shù)）的分散上，不過，普及構(gòu)造化項（與天線的形狀和設(shè)置構(gòu)造有密切的關(guān)系）是次要的。從構(gòu)造要素的分散對應(yīng)的構(gòu)造形狀和安裝連接設(shè)計的觀點來看，構(gòu)造設(shè)計非常重要。如果沒有嚴格控制結(jié)構(gòu)設(shè)計細節(jié)，一些突出的螺紋頭和結(jié)構(gòu)支持形成的散射源可能會損害整個天線的隱形性能，因此本文檔主要關(guān)注形狀和結(jié)構(gòu)的細節(jié)。如圖1所示，在確?？罩刑炀€的電磁性能和環(huán)境適應(yīng)性的前提下，將威脅的雷達波的反射抑制到最小限度，進一步降低天線的RCS的空中天線。

3 機載隱身天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

要縮小天線的大小，就必須通過減少天線元件的數(shù)量、內(nèi)埋等方法來設(shè)計天線。這些對策對于天線元件的削減作用非常有效。雖然是RCS天線，但是在這些對策的設(shè)計過程中，構(gòu)造設(shè)計也非常重要，結(jié)構(gòu)的詳細內(nèi)容直接影響了RCS降低效果，因此本文將重點放在天線和部件形狀上。用于進一步固定和降低RCS的結(jié)構(gòu)形式及連接緊固等其他結(jié)構(gòu)細節(jié)。

3.1 鏡面反射縮減

空中天線的隱身設(shè)計主要以單站雷達為對象，單站雷達檢測角度的領(lǐng)域是有范圍的。因此，針對天線法向的鏡面反射，包含雷電圓頂?shù)奶炀€口的表面變細，入射電磁波在不直接超過圓錐方向的其他領(lǐng)域散射。為了減少使用傾斜面的天線的天線口面的關(guān)鍵焦點區(qū)域的RCS，在一部分天線結(jié)構(gòu)中，天線結(jié)構(gòu)或室外設(shè)置的必要性，因此外側(cè)的安裝法蘭容易形成強的鏡面反射?？蓪A斜板添加到天線結(jié)構(gòu)中，或?qū)惭b法蘭以特定角度傾斜，使電磁波沿天線法線方向入射，分散于天線鼻錐方向外側(cè)的其他區(qū)域。天線用于消除或減少這些強鏡面反射（圖2）。

3.2 角反射器散射縮減

機載天線有很多部件。這些零件通常是用螺絲固定的，在零件的支撐部分和安裝接頭上可以形成角反射器的構(gòu)造。角反射器是一種強反射結(jié)構(gòu)。為了排除這些強散射源，在天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計中必須避免二面角或多面角的形成。兩個角度反射器形成在零件的接合處，不利于天線的RCS降低。為了避免角反射器結(jié)構(gòu)的形成，有必要采取天線結(jié)構(gòu)的對策，而不是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，需要使用楔形結(jié)構(gòu)。露出的情況下，也可以將臺階間距沉入其他零件。使連接的兩個部件的表面平滑，避免角反射器結(jié)構(gòu)的形成，提高天線的隱身指標的部件。

3.3 結(jié)構(gòu)細節(jié)處理

①伴隨著強烈鏡面反射和角反射器的排除，天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等，為了進一步強化和提高天線的隱身性能，有必要進行詳細的構(gòu)造。天線由焊接結(jié)構(gòu)或其他新結(jié)構(gòu)組成，用于縮小角度反射板的結(jié)構(gòu)，以及由多個部件的關(guān)節(jié)形成的多個露出的螺釘頭形成。未進行特殊處理的螺釘會形成新的散射源，影響RCS天線的縮小。②螺釘或其他固定件的選擇和處理需要注意。螺釘?shù)氖褂眯枰M可能減少。固定結(jié)構(gòu)需要用螺釘連接，為了避免由圓柱頭螺釘凸起的頭部形成的散射源，建議使用沉頭螺釘代替圓柱形螺釘。與固定部分的表面相同或稍低，為了避免表面坑運送新的散射源，凹陷處充滿了導(dǎo)電膠，以與固定部分的表面保持平坦。③如果在天線的外部采取措施妥善管理天線外部的間隙，電連續(xù)性會突然中斷，中斷時會形成新的弱散射源。要損壞整個天線的隱身性能，即使不做特殊處理，一個或兩個縫隙也足夠了。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須注意天線外表的縫隙的設(shè)計和處理。要替換以往的直縫隙，需要優(yōu)先使用Z字形間隙。間隙兩側(cè)的部件表面必須盡量縮小間隙的寬度，以確保拉伸。充滿導(dǎo)電膠的間隙必須在間隙兩側(cè)的表面保持平整。④最大程度避免或減少棱邊繞射。以全向散射為特征的棱邊衍射或邊緣衍射，RCS的帶寬分散的重要原因是分散水平低，但是分散是廣角分布。天線結(jié)構(gòu)有很多棱邊，需要注意結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過內(nèi)置設(shè)計，可以避免或減少突出的棱邊，平滑棱邊不可避免的邊緣，減少邊緣繞射。⑤吸收材料的合理使用和處理。的電磁性能為前提。天線的話，需要在天線上適當填充雷達吸收材料，盡可能降低目標回聲強度，同時減少所有方向的RCS。使用吸收性泡沫或膠板材料時，吸收材料的破損需要盡量減少。不可避免的破損，需要在接合處進行必要的邊緣填充處理，為了避免由接合部引起的新的分散，需要使接合部平整。

4 某機載隱身天線實例

上述機載隱身天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方法適用于機載項目的隱身天線結(jié)構(gòu)設(shè)計。從形狀、結(jié)構(gòu)連接固定形狀等各方面采取的隱身對策，以及對結(jié)構(gòu)的詳細處理包括以下內(nèi)容。①為了消除天線口面的強鏡面反射，將尖錐化處理天線罩口面和兩端面;②直接使用天線底部和軸承平臺的螺紋孔卸載天線的安裝法蘭，通過安裝法蘭消除強烈的鏡面反射和角度反射。③使用沉頭螺釘緊固天線罩，排除由以往圓柱頭螺釘?shù)耐範铑^形成的散射源。④在沉頭螺紋的底部填充導(dǎo)電膠，使天線罩的表面保持平坦，避免表面凹陷形成新的分散源。⑤為了減少邊緣衍射，將線穿過天線的邊緣。⑥填充天線內(nèi)部的雷達吸波材料。⑦在天線內(nèi)部和底板的接口處使用焊接的方法。與傳統(tǒng)的螺釘連接結(jié)構(gòu)相比，避免了由多個螺釘頭和連接支架引起的許多凸面和凹面，同時使得散射源減少。完善了結(jié)構(gòu)細節(jié)后，效果非常明顯。

5 結(jié)束語

在簡要介紹隱身雷達形狀的基本原理的基礎(chǔ)上，本文將重點放在特定類型的機載天線的設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)詳細處理的原理上，說明將這些方法和原理應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法。仿真結(jié)果表明，這些機載隱身天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計手法和結(jié)構(gòu)細節(jié)的處理是有效的。一般情況下，高性能隱身的高性能戰(zhàn)斗機會更換。傳統(tǒng)的非隱身戰(zhàn)斗機。為了不讓隱身形狀、結(jié)構(gòu)和材料達到的整個飛機的高隱身水平在天線后受到損傷，減少機載天線的RCS是非常重要的，為在飛行中從事隱身天線結(jié)構(gòu)設(shè)計的同事提供參考理念和技術(shù)參考。

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