彈載超寬帶共形天線的現(xiàn)狀與發(fā)展

鄭昊鶯, 魯洵洵, 賀偉煒

(上海無線電設(shè)備研究所,上海201109)

0 引言

隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭攻防對抗日益激烈、戰(zhàn)場環(huán)境日趨復(fù)雜,單一模式的制導(dǎo)技術(shù)難以滿足未來戰(zhàn)爭的要求,復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用越來越受到人們的重視。作為復(fù)合制導(dǎo)常用的模式之一,被動雷達導(dǎo)引頭的發(fā)展受制于超寬帶天線技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)有的超寬帶天線技術(shù)可以有效地提高被動導(dǎo)引頭的作戰(zhàn)性能,例如采用大口徑、超寬帶、圓極化等技術(shù)。但是由于彈體空間有限,迫切要求被動模式天線可以進行小型化共形設(shè)計,并簡化安裝,為其它制導(dǎo)設(shè)備預(yù)留出更多的空間。因此,小型化、超寬帶、共形天線技術(shù)越來越受到人們的重視。

1 彈載超寬帶共形天線比較

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭攻防對抗日益激烈、戰(zhàn)場環(huán)境日趨復(fù)雜,要求精確制導(dǎo)武器能在復(fù)雜的背景和強干擾下準(zhǔn)確地截獲、跟蹤目標(biāo)。單一模式的制導(dǎo)技術(shù)對工作環(huán)境的依賴性強,難以滿足未來戰(zhàn)爭的要求,所以復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)應(yīng)運而生。復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)選用不同制導(dǎo)方式復(fù)合,以獲得最佳性能。

在復(fù)合制導(dǎo)體制下,被動天線作為被動雷達導(dǎo)引頭的重要組成部分,要求在占用彈體空間盡可能小的前提下,在超寬頻帶內(nèi)具有良好的阻抗匹配和輻射特性,在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)與彈體共形。目前,彈載超寬帶共形天線主要可以分為對數(shù)周期天線、平面螺旋天線、Vivaldi天線與TEM喇叭天線,這四種天線的性能比較見表1。

表1 四種超寬帶被動天線的性能比較

從表1可以看出,對數(shù)周期天線的輻射為端射方向圖,易于共形,但天線結(jié)構(gòu)設(shè)計和饋電結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而平面螺旋天線、常規(guī)Vivaldi天線和TEM喇叭天線存在著方向圖無法端射、結(jié)構(gòu)不易共形和尺寸大等問題,這些問題會直接影響與彈體共形安裝后被動天線的電氣性能。

為了解決目前被動共形天線存在的問題,需要從天線形式與安裝環(huán)境綜合考慮,通過合理空間布局,設(shè)計出新型超寬帶被動天線單元,滿足系統(tǒng)對小型化超寬帶共形天線的需求。

2 國外彈載超寬帶共形天線發(fā)展概況

對共形天線的研究從上世紀70年代就有陸續(xù)的研究報道被發(fā)表。到了上世紀90年代,共形天線的研究開始成為熱點,相繼有不少實際的共形天線陣列出現(xiàn)。1996年,Kanno等人設(shè)計了X波段的擬機翼橢圓柱面共形陣,如圖1所示。2002年,Steyskal等人設(shè)計了C波段擬真實機翼形狀的共形微帶陣列,如圖2所示。英國一研究所設(shè)計制作了半球空間波束覆蓋的衛(wèi)星移動通訊天線,如圖3所示。愛立信聯(lián)合實驗室設(shè)計了圓柱共形波導(dǎo)陣列,如圖4所示。

近年來,美意聯(lián)合發(fā)展了AGM-88E反輻射導(dǎo)彈,如圖5所示。該導(dǎo)彈是美海軍高速反輻射導(dǎo)彈(HARM)的后繼型號,能顯著提高電子戰(zhàn)飛機搜索、識別和最終摧毀敵方防空系統(tǒng)的能力,并于2010年前后服役裝備部隊。其中AGM-88E反輻射彈的被動制導(dǎo)采用了8個寬帶被動共形天線單元,采用了單線極化的工作模式。由于AGM-88E反輻射彈的寬帶被動共形天線采用了單線極化的工作模式,在某些情況下,由于天線極化失配問題可能導(dǎo)致被動導(dǎo)引頭性能下降甚至無法工作,這是單極化寬帶被動共形模式存在固有的缺陷。因此,美國在全新預(yù)研新一代導(dǎo)彈時,寬帶被動共形天線采取了雙線極化共形天線的方案。

圖1 X波段的擬機翼橢圓柱面共形陣

圖2 C波段擬真實機翼形狀的共形微帶陣列

3 彈載超寬帶共形天線關(guān)鍵技術(shù)

復(fù)合制導(dǎo)模式下的被動小型化超寬帶共形天線的最大設(shè)計難點在于有限空間下的天線單元、陣列設(shè)計以及共形安裝后金屬載體對天線各項電性能的影響和方向圖修正。因此,小型化超寬帶共形天線關(guān)鍵技術(shù),涉及曲面共形技術(shù)、小型化超寬帶技術(shù)、方向圖修正技術(shù)。

(1)曲面共形技術(shù)

復(fù)合制導(dǎo)模式需把多個模式的天線共同安裝在同一個導(dǎo)彈天線罩內(nèi),造成導(dǎo)彈天線罩內(nèi)的空間不足。為給其他模式的相關(guān)設(shè)備留出較充裕的空間,要求對被動天線進行小型化、與艙體共形的設(shè)計。共形天線對載體本身的空氣動力學(xué)性能影響很小,可以簡化天線安裝。因此,曲面技術(shù)的研究至關(guān)重要。

(2)小型化超寬帶技術(shù)

當(dāng)前導(dǎo)彈等載體的結(jié)構(gòu)尺寸較小,天線安裝的空間受到很大限制,并且系統(tǒng)對天線工作的頻率下限要求較高,天線小型化設(shè)計與天線低頻、寬頻工作產(chǎn)生較大矛盾。需要采取措施實現(xiàn)天線的小型化以及天線的寬帶阻抗匹配,滿足天線小型化設(shè)計后的合理增益輸出。

(3)方向圖修正技術(shù)

天線共形安裝設(shè)計后,受其它模式制導(dǎo)設(shè)備中的金屬材料影響,共形天線的端射性能受到嚴重干擾,方向圖產(chǎn)生大角度偏移,甚至開裂,不利于被動模式導(dǎo)引頭的正常工作。針對共形安裝環(huán)境對超寬帶共形天線方向性圖產(chǎn)生的反射、疊加效應(yīng),研究特定邊界條件下的天線方向圖性能,并對方向圖進行修正,實現(xiàn)方向圖的全空間覆蓋。

圖3 衛(wèi)星移動通信共形天線

圖4 圓柱共形波導(dǎo)陣列

圖5 AGM-88E反輻射導(dǎo)彈

4 彈載超寬帶共形天線的發(fā)展趨勢

在國防軍事建設(shè)上,近年來各種先進的飛行器,例如飛機、導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈等,為了獲得更高的武器性能,也要求將它們所攜載的雷達改成共形雷達。目前,根據(jù)美國、俄羅斯等國家關(guān)于復(fù)合制導(dǎo)下被動雷達導(dǎo)引頭天線的研究方向來看,小型化,低剖面、超寬帶、共形天線已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。尤其是美國,已經(jīng)裝備的先進哈姆和正在開展的第五代空空導(dǎo)彈已成為重點發(fā)展對象,其所配備的寬帶被動雷達導(dǎo)引頭就采用超寬帶共形陣列天線形式。目前,共形天線使用最多的是機載共形天線,一般情況下,一架飛機上安裝的天線數(shù)目在20～70個不等?？紤]到飛機的機動性能以及系統(tǒng)性能,迫切希望天線能夠同飛機表面共形,而且采用共形天線對增大機載天線的有效口徑也十分有利。

對彈載超寬帶共形天線技術(shù)的研究不僅在國防軍事建設(shè)上有重大意義,在民用通信設(shè)備中同樣有著廣泛的應(yīng)用前景,例如共形天線技術(shù)己經(jīng)被用在汽車后窗以取代以前汽車后部的鞭狀天線。在日本,己經(jīng)有人將天線設(shè)計到使用者的衣服上作為移動通信的天線終端。國內(nèi)也已經(jīng)有科研機構(gòu)將移動通信的天線共形設(shè)計到了使用者的腰帶上?？梢哉雇?在不久的將來,彈載超寬帶共形天線技術(shù)不僅在彈載領(lǐng)域具有重要作用,而且在移動通訊領(lǐng)域同樣具有更廣泛的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語

復(fù)合制導(dǎo)導(dǎo)引頭具有抗干擾能力強,目標(biāo)識別性能好,作用距離遠等明顯優(yōu)勢,已成為各國精確制導(dǎo)的重要方向。彈載超寬帶共形天線在復(fù)合制導(dǎo)的應(yīng)用中具有至關(guān)重要的作用。隨著反輻射導(dǎo)彈及各種飛行器在戰(zhàn)爭中的地位日益加強及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,彈載超寬帶共形天線性能要求也越來越高,彈載超寬帶共形天線技術(shù)的研究具有更深遠的影響和更廣泛的應(yīng)用前景。