先進(jìn)飛機(jī)平臺(tái)天線孔徑綜合的總體設(shè)計(jì)技術(shù)

吳 琦, 王曉明, 孫宏濤, 張棟梁

(1. 北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191； 2. 中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；3. 中航工業(yè)集團(tuán)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，成都 610000)

0 引言

隨著先進(jìn)飛行器平臺(tái)的快速發(fā)展，平臺(tái)上用頻設(shè)備數(shù)目與功能不斷增加，裝備有通信導(dǎo)航識(shí)別(CNI)、電子偵察對(duì)抗(ECM)、雷達(dá)、探測(cè)、測(cè)控等子系統(tǒng)。先進(jìn)飛機(jī)平臺(tái)上有限的空間與載荷被上述子系統(tǒng)占用了較大部分，導(dǎo)致平臺(tái)上留給天線布局的空間極為有限，眾多用于通信、導(dǎo)航、電子戰(zhàn)等保障平臺(tái)基本功能與先進(jìn)性的天線，布局于有限且相對(duì)固定的區(qū)域內(nèi)。為避免用頻設(shè)備互擾，對(duì)天線間隔離度提出了更高的要求，且對(duì)平臺(tái)的氣動(dòng)、隱身性能帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。隨著微波、天線、集成電路等學(xué)科領(lǐng)域的快速發(fā)展，飛機(jī)平臺(tái)逐步將上述分立的功能系統(tǒng)從天線孔徑、射頻前端、基帶處理、顯示控制以及軟件層面進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)射頻綜合[1]。射頻綜合系統(tǒng)不僅應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、車(chē)輛等先進(jìn)平臺(tái)，大型客機(jī)也開(kāi)始逐步采用射頻綜合系統(tǒng)[2-3]。

射頻綜合系統(tǒng)的核心技術(shù)包括天線孔徑綜合、射頻前端綜合、數(shù)據(jù)處理綜合和顯示控制綜合[4]。天線孔徑綜合將大量分立的天線單元按照工作頻段和功能特點(diǎn)進(jìn)行整合，在不降低系統(tǒng)性能的條件下盡可能地減少天線的數(shù)量。例如，美國(guó)為保障第三代戰(zhàn)斗機(jī)FA-16正常工作，在平臺(tái)上布置了60多副天線，而經(jīng)過(guò)天線孔徑綜合設(shè)計(jì)后，F(xiàn)A-22戰(zhàn)斗機(jī)僅使用了20多個(gè)天線孔徑即可實(shí)現(xiàn)相同的功能[5]。先進(jìn)飛機(jī)平臺(tái)天線孔徑綜合的難度主要體現(xiàn)在平臺(tái)上安裝的天線孔徑數(shù)量需縮減2/3，需要綜合運(yùn)用多項(xiàng)先進(jìn)天線技術(shù)，才能保證天線的基本性能要求。例如，先進(jìn)飛機(jī)的氣動(dòng)/隱身要求天線共形或內(nèi)埋，如何提升天線的工作帶寬或者實(shí)現(xiàn)天線的多頻帶工作，對(duì)實(shí)現(xiàn)天線孔徑數(shù)量的縮減非常重要；將多個(gè)天線單元共孔徑布置為單個(gè)天線孔徑是一種重要的實(shí)現(xiàn)方式，但單元間距離的減小將導(dǎo)致嚴(yán)重天線耦合干擾問(wèn)題[6-7]。因此，天線孔徑綜合被認(rèn)為是射頻綜合系統(tǒng)的主要難點(diǎn)之一。

本文以先進(jìn)飛機(jī)平臺(tái)為例，介紹在天線孔徑綜合總體設(shè)計(jì)技術(shù)中的一些探索和思考。第1節(jié)主要介紹飛機(jī)平臺(tái)天線孔徑綜合的整體思路;第2節(jié)介紹孔徑天線綜合的關(guān)鍵技術(shù);針對(duì)共孔徑天線結(jié)構(gòu)，第3節(jié)介紹相關(guān)電磁兼容性的考慮;以通信導(dǎo)航識(shí)別天線為例，第4節(jié)介紹最新研究成果;第5節(jié)對(duì)本文的工作進(jìn)行總結(jié)歸納。

1 機(jī)載天線孔徑綜合的整體思路

開(kāi)展機(jī)載天線綜合一體化設(shè)計(jì)，并將綜合天線集成在飛機(jī)的外表面，為解決天線布局困難、隱身性能受限等問(wèn)題提供了重要的技術(shù)手段，有助于提升平臺(tái)的綜合能力。因此，天線孔徑綜合的主要方向有兩個(gè)：一是減少天線數(shù)量，用一個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多個(gè)天線的功能；二是將綜合化天線結(jié)構(gòu)內(nèi)埋于平臺(tái)內(nèi)部，大幅改善平臺(tái)的氣動(dòng)與隱身性能[8-9]。

天線孔徑綜合的主要發(fā)展方向雖然較為明確，但整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的思路并不清晰。因此，首先對(duì)機(jī)載天線的主要類(lèi)型和特點(diǎn)進(jìn)行較為系統(tǒng)的整理歸納，為后續(xù)整體思路的提出打下基礎(chǔ)。

1.1 機(jī)載天線類(lèi)型與特點(diǎn)

先進(jìn)飛機(jī)平臺(tái)的機(jī)載和任務(wù)系統(tǒng)主要包括通信(含數(shù)據(jù)鏈)、衛(wèi)星導(dǎo)航、敵我識(shí)別、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等子系統(tǒng)，其典型的工作頻率如表1所示。機(jī)載天線不僅需要覆蓋上述子系統(tǒng)的工作頻率，還需要支撐系統(tǒng)主要功能和任務(wù)。因此，機(jī)載天線系統(tǒng)需要進(jìn)行科學(xué)的布局設(shè)計(jì)，考慮天線性能要求、飛機(jī)氣動(dòng)性能、飛機(jī)質(zhì)心位置等關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)前，中大型飛機(jī)的天線布局設(shè)計(jì)形成一套較為成熟的技術(shù)體系，可將天線安裝部位劃分為5個(gè)區(qū)域，如圖1所示[10]。其中，I區(qū)為機(jī)頭區(qū)域，位于飛機(jī)前部；II區(qū)為機(jī)背區(qū)域，即飛機(jī)頂部；III區(qū)為垂尾區(qū)域(飛機(jī)尾部)，部分高垂尾機(jī)型可在此布置大型天線；IV區(qū)為機(jī)腹區(qū)域，即飛機(jī)底部；V區(qū)為機(jī)翼前緣和上下表面區(qū)域，在飛機(jī)機(jī)翼可臨機(jī)布置一些任務(wù)系統(tǒng)天線。

圖1 機(jī)載天線布局區(qū)域

表1 機(jī)載子系統(tǒng)的主要功能、通用工作頻段、工作特點(diǎn)與典型裝機(jī)位置

1.2 天線孔徑綜合的整體思路

根據(jù)上述分析和整理的機(jī)載天線典型工作頻段和裝機(jī)位置，機(jī)載天線孔徑綜合整體設(shè)計(jì)思路是遵循就近原則[11]。首先，考慮天線工作頻率的就近原則，將工作頻率相同或相近的多副天線進(jìn)行綜合化設(shè)計(jì)，可以借助的天線技術(shù)主要有寬頻帶天線、雙頻/多頻天線、可重構(gòu)天線等。例如，可以將多個(gè)窄帶天線進(jìn)行綜合化設(shè)計(jì)，采用多頻或?qū)掝l天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其次，考慮天線安裝位置的就近原則，將安裝位置較近的天線進(jìn)行綜合化設(shè)計(jì)，可以借助上面介紹的寬頻帶、多頻、可重構(gòu)天線技術(shù)，也可以采用最近發(fā)展出來(lái)的共孔徑天線技術(shù)。最后，需要充分考慮天線的工作帶寬、增益、方向圖、波束寬度、極化、輻射功率等性能特點(diǎn)，出于電磁兼容性的考慮，大功率發(fā)射天線一般不與高靈敏度接收天線進(jìn)行綜合一體化設(shè)計(jì)。還有一些天線技術(shù)可供使用，如高增益圓極化天線可通過(guò)多個(gè)線極化天線單元使用圓極化器綜合得到，再借助可重構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)線極化/左旋圓極化/右旋圓極化等天線極化形式的調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)線極化天線與圓極化天線的綜合；利用天線重構(gòu)技術(shù)，可以使單個(gè)天線工作在窄帶或?qū)拵?，還可以在全向與定向等工作模式間改變天線的方向圖，從而實(shí)現(xiàn)窄帶天線與寬帶天線的綜合。

從上述分析結(jié)果并結(jié)合已有資料，機(jī)載天線孔徑綜合總體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)區(qū)域有兩個(gè)。其一為機(jī)頭部位，此位置一般安裝一些需要定向高增益輻射的大功率發(fā)射系統(tǒng)，例如雷達(dá)與電子對(duì)抗等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的天線尺寸較大，且需要對(duì)輻射功率有較高的承受能力，可以采用超寬帶有源相控陣技術(shù)進(jìn)行綜合一體化設(shè)計(jì)；其二為飛機(jī)頂部，此位置一般安裝一些工作在L頻段、全向線極化輻射的天線，適用于衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線電測(cè)距等系統(tǒng)，可以采用超寬帶平面/共形振子天線技術(shù)綜合。近年來(lái)，共形全向天線技術(shù)發(fā)展較快，為L(zhǎng)波段天線隱身設(shè)計(jì)提供了可能[12-14]。大型飛機(jī)還可以將VHF、UHF等頻段天線進(jìn)行綜合化、共形化設(shè)計(jì)。

隨著新的材料、器件和天線理論的發(fā)展，還將涌現(xiàn)許多新的天線孔徑綜合技術(shù)，不斷提升天線設(shè)計(jì)水平。

2 機(jī)載天線孔徑綜合的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 可重構(gòu)天線技術(shù)

可重構(gòu)天線按功能一般可分為頻率可重構(gòu)天線、方向圖可重構(gòu)天線、頻率和方向圖同時(shí)可重構(gòu)天線[15-16]。

1) 頻率可重構(gòu)天線：可以在一定頻率范圍內(nèi)改變天線工作頻率，但天線輻射方向圖基本不變。實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可以通過(guò)加載可變電抗、加載PIN二極管開(kāi)關(guān)、改變天線尺寸與電流分布等方法來(lái)改變天線的工作頻率。

2) 方向圖可重構(gòu)天線：天線方向圖可以在全向輻射和定向輻射間進(jìn)行切換，但天線工作頻帶基本不變。實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可以通過(guò)使用特定天線結(jié)構(gòu)或使用可調(diào)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，選擇所需的電流分布模式與相位實(shí)現(xiàn)方向圖可調(diào)節(jié)。

3) 頻率和方向圖可重構(gòu)的天線：天線工作頻率和方向圖同時(shí)改變?？梢允褂锰炀€陣列的思想，利用大量射頻開(kāi)關(guān)(如MEMS開(kāi)關(guān)陣列)等將不同的天線或同一個(gè)天線的不同部分分成不同的“子陣”單元，通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)陣列改變“子陣”單元的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)天線工作頻率和輻射方向圖的重構(gòu)。

2.2 寬頻帶天線技術(shù)

寬頻帶天線是指阻抗、極化、方向圖等特性在很寬的頻帶內(nèi)幾乎不變的天線，是實(shí)現(xiàn)射頻孔徑綜合的重要途徑。例如，利用一副寬頻帶天線可以將多個(gè)窄帶任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行天線孔徑綜合，目前已經(jīng)成為一種常規(guī)的設(shè)計(jì)手段。雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信等寬帶機(jī)載任務(wù)系統(tǒng)，工作頻帶內(nèi)往往包含一些窄帶系統(tǒng)，可以將這些窄帶系統(tǒng)綜合進(jìn)寬帶系統(tǒng)內(nèi)。更寬的工作頻帶，可以承擔(dān)平臺(tái)上更多的任務(wù)需求，提高射頻系統(tǒng)集成度，提高天線孔徑綜合的收益。但需要注意天線帶寬應(yīng)與收發(fā)信機(jī)的工作頻帶相匹配，不能過(guò)分提升天線工作帶寬。與此同時(shí)，軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，也為提升射頻系統(tǒng)與寬頻帶孔徑綜合天線的匹配工作提供了新的可能[17]。

2.3 共形天線技術(shù)

共形天線，不同于常規(guī)天線外立的安裝方式，內(nèi)埋或貼附于先進(jìn)平臺(tái)外表面，與平臺(tái)的外形保持一致，可以很好地保證平臺(tái)的氣動(dòng)布局與隱身性能。在共形天線的框架下，將原先分立于平臺(tái)外表面的多副天線，設(shè)計(jì)為可內(nèi)埋孔徑綜合天線，是孔徑綜合天線的重要發(fā)展方向。共形天線本身剖面較低，含有腔體，雜散發(fā)射水平較低，能大幅減少平臺(tái)上天線間的直接輻射耦合，天線外加上天線罩之后，可有效改善天線的雷達(dá)散射截面，并有效提高內(nèi)部電路對(duì)外界電磁干擾的抵抗能力。

共形天線技術(shù)一般適用于具有相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)形狀的平臺(tái)中，例如平面、圓柱形、圓錐形、橢圓形等，這些平臺(tái)形狀能大大簡(jiǎn)化共形天線的仿真計(jì)算，因此，大量共形天線分析基于上述平臺(tái)。常見(jiàn)的共形天線形式包括沿不同方向放置的的微帶振子天線(可實(shí)現(xiàn)水平極化、垂直極化與雙極化)、微帶貼片天線(可覆蓋寬帶或多頻帶、線極化或圓極化、全向或定向)、vivaldi天線等。

3 電磁兼容性的考慮

將各類(lèi)無(wú)線系統(tǒng)綜合布置在系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)部,需要非常注意天線之間的相互耦合干擾問(wèn)題。以飛機(jī)常用的高度表收發(fā)天線和微波著陸天線為例，其典型布局結(jié)構(gòu)如圖2所示。高度表發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁信號(hào)，可能被高度表接收天線接收到，從而影響系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)高度的判讀，這就是所謂的同頻干擾。雖然高度表和微波著陸系統(tǒng)并非工作在相同的頻率，微波著陸接收天線同樣可以拾取上述電磁信號(hào)，同樣存在著電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn)，一般稱(chēng)之為帶外干擾。

為了進(jìn)一步定量分析上述問(wèn)題，表2給出了系統(tǒng)的典型射頻參數(shù)。根據(jù)表2可以定義如下的干擾參量

表2 高度表和微波著陸系統(tǒng)典型射頻參數(shù)

IM(f)=Prad(f)-Srad(f)-ISO(f)-Sen(f)

(1)

式中,IM為干擾參量，Prad為發(fā)射天線功率，Srad為發(fā)射機(jī)帶外抑制，ISO為收發(fā)天線間的隔離度，Sen為接收機(jī)靈敏度。

考慮到IM需要有6 dB的安全裕量，可以計(jì)算得到當(dāng)天線隔離度大于49 dB時(shí)，高度表發(fā)射系統(tǒng)與微波著陸接收系統(tǒng)能夠兼容工作。高度表發(fā)射天線與高度表接收天線之間的隔離度需要達(dá)到129 dB，若使用脈沖形式的波形，可以將隔離度要求降低至85 dB[18]。為了滿足上述天線隔離度要求，需要拉大天線的距離，利用空間衰減和飛機(jī)機(jī)體遮擋等方法解決天線耦合干擾問(wèn)題，如圖2所示，高度表收發(fā)天線與微波著陸天線通常間隔50 cm布置。

圖2 微波著陸天線和高度表天線一般安裝示意圖

如果要將這3副天線進(jìn)行綜合一體化設(shè)計(jì)，可以采用共孔徑天線技術(shù)將這些天線直接整合，但需要注意解決天線耦合干擾問(wèn)題。同時(shí)，電磁兼容性分析指明了天線隔離度設(shè)計(jì)的目標(biāo)[19]。

4 高度表收發(fā)天線與微波著陸天線的綜合一體化設(shè)計(jì)

為了將問(wèn)題簡(jiǎn)化，首先分析高度表發(fā)射天線與微波著陸天線的綜合天線。通過(guò)天線電流分布的特點(diǎn)，利用短路探針加載耦合模式中電場(chǎng)比較大的位置，來(lái)達(dá)到抑制特定模式的效果，從而提升兩天線之間的隔離度。該方法的原理是利用短路探針表面的PEC邊界條件，在電場(chǎng)較強(qiáng)的位置加載短路探針，可以大大減弱探針位置的切向電場(chǎng)強(qiáng)度，以達(dá)到電場(chǎng)抑制的效果。

在將兩天線之間距離縮減為8.5 cm時(shí)，通過(guò)全波仿真得到了天線在5.06 GHz處的表面電流分布，如圖3所示?？梢钥闯?，在圖中橢圓形標(biāo)記處電場(chǎng)較大，因此選擇在這些電場(chǎng)比較強(qiáng)的位置加載短路探針，以達(dá)到抑制電場(chǎng)強(qiáng)度的效果。在加載短路探針后，高度表發(fā)射天線的諧振頻率有所偏移，需要對(duì)天線尺寸進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)，最終獲得的天線S參數(shù)結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯瑑蓚€(gè)天線在5.06 GHz下的S21參數(shù)有著將近20 dB的下降，大大提高了天線間的隔離度，驗(yàn)證了利用短路探針降低天線帶外發(fā)射的有效性，天線的阻抗帶寬略微變窄，但仍滿足實(shí)際工作需要。

圖3 天線在5.06 GHz頻率下的電場(chǎng)分布

圖4 加載短路探針后，天線S參數(shù)仿真對(duì)比圖(天線在5.06 GHz的耦合由40.7 dB降低到了60.6 dB)

由于探針加載位置不是對(duì)稱(chēng)的，因此還需要分析孔徑綜合一體化設(shè)計(jì)后的天線輻射方向圖是否存在畸變等問(wèn)題。圖5和圖6分別給出了高度表發(fā)射天線和微波著陸接收天線在工作頻段處優(yōu)化前后的輻射方向。由圖5可以看出，天線的方向圖在E面和H面均沒(méi)有發(fā)生明顯變化，增益還略有提升，說(shuō)明了在對(duì)高度表發(fā)射天線加載短路探針后，天線原有的工作特性并未受到影響，甚至性能還有所提升，即在未改變天線原有工作狀態(tài)的情況下實(shí)現(xiàn)了天線間的耦合抑制。由圖6可以看出，由于微波著陸接收天線并未進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改變，因此天線方向圖幾乎沒(méi)有變化，這是在預(yù)期之內(nèi)的。

(a) E面方向圖對(duì)比

(a)phi=0°

進(jìn)一步將高度表接收天線與上述兩綜合天線進(jìn)行綜合一體化設(shè)計(jì)。由于高度表收發(fā)天線之間的隔離度要求達(dá)到85 dB，需要適當(dāng)增大天線距離至100 mm。此時(shí)，高度表收發(fā)天線與微波著陸天線的間距都是100 mm，高度表收發(fā)天線距離達(dá)到200 mm。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和表面波抑制措施，可以達(dá)到所需的天線隔離度。

5 結(jié)論

天線孔徑綜合技術(shù)難度大、探索性強(qiáng)，是射頻綜合系統(tǒng)的主要難點(diǎn)之一。本文對(duì)天線孔徑綜合可能涉及的總體技術(shù)進(jìn)行了探索和介紹。以先進(jìn)飛機(jī)平臺(tái)為例，本文較為系統(tǒng)地梳理了通信、導(dǎo)航、識(shí)別、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等機(jī)載子系統(tǒng)特點(diǎn)，提出了孔徑綜合天線設(shè)計(jì)的就近原則。根據(jù)筆者的科學(xué)研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹了機(jī)載孔徑天線綜合的關(guān)鍵技術(shù)。由于結(jié)構(gòu)和空間限制，天線耦合干擾問(wèn)題是天線孔徑綜合總體設(shè)計(jì)必需考慮的問(wèn)題。

為此，本文以高度表收發(fā)天線和微波著陸天線為例，介紹了電磁兼容性預(yù)評(píng)估給出的天線隔離度要求，并通過(guò)合理的天線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上述要求的樣機(jī)研制過(guò)程。天線孔徑綜合技術(shù)還在高速發(fā)展中，新的成果正不斷涌現(xiàn)，期待本文能夠拋磚引玉，為相關(guān)技術(shù)提升凝聚力量。