一種低頻外露機(jī)載天線(xiàn)隱身設(shè)計(jì)

周 萍，郭 文，聶 暾，滕 杰，徐伊達(dá)

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092)

【信息科學(xué)與控制工程】

一種低頻外露機(jī)載天線(xiàn)隱身設(shè)計(jì)

周 萍，郭 文，聶 暾，滕 杰，徐伊達(dá)

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092)

針對(duì)低成本準(zhǔn)隱身飛機(jī)，探討了一種低頻外露機(jī)載天線(xiàn)的隱身設(shè)計(jì)，提出了一系列的隱身設(shè)計(jì)措施(例如優(yōu)化天線(xiàn)外形、改變安裝方式、在天線(xiàn)罩表面涂敷吸波材料等)；經(jīng)過(guò)隱身仿真、隱身測(cè)試等手段，獲取了天線(xiàn)在不同頻點(diǎn)、不同極化下的RCS均值，并通過(guò)仿真、測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了隱身改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性，并為其他外露物隱身設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)和手段。

隱身設(shè)計(jì)；低頻外露機(jī)載天線(xiàn)；吸波材料；隱身仿真；隱身測(cè)試；RCS均值

飛機(jī)RCS值的有效降低，可以減小敵目標(biāo)雷達(dá)探測(cè)的概率并保護(hù)飛機(jī)免受精確打擊，大大提高飛機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力[1]。一般飛機(jī)的隱身設(shè)計(jì)是從雷達(dá)隱身、紅外隱身、射頻隱身[2]等方面考慮。而目前的重點(diǎn)研究方向是雷達(dá)隱身，主要考慮飛機(jī)的外形、天線(xiàn)及外露物、隱身涂料、隱身結(jié)構(gòu)等方面。相對(duì)于艦船等其他大型綜合系統(tǒng)，大多數(shù)飛機(jī)系統(tǒng)載機(jī)體積狹小、空間有限，作為一個(gè)完整且具有多重功能的系統(tǒng)，在十分苛刻的空間條件下必須裝備大量電子設(shè)備和布置大量天線(xiàn)(導(dǎo)航系統(tǒng)天線(xiàn)、通信系統(tǒng)天線(xiàn)、任務(wù)系統(tǒng)天線(xiàn))，這些大量的天線(xiàn)尤其是外露的天線(xiàn)，對(duì)全機(jī)的隱身指標(biāo)占了主要地位，要降低全機(jī)的隱身指標(biāo)，大量的外露天線(xiàn)必須采取隱身設(shè)計(jì)[3-8]。外露天線(xiàn)要降低RCS值，最直接的辦法就是設(shè)計(jì)成共形天線(xiàn)和內(nèi)埋天線(xiàn)，但是在飛機(jī)外形已定，且裝載空間有限的情況下，難于實(shí)現(xiàn)低頻段天線(xiàn)的共型設(shè)計(jì)。故本文針對(duì)低成本、準(zhǔn)隱身飛機(jī)，對(duì)機(jī)上一低頻段外露天線(xiàn)提出隱身改進(jìn)設(shè)計(jì)措施，通過(guò)仿真、測(cè)試等手段，驗(yàn)證改進(jìn)措施是否有效可行。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

通過(guò)對(duì)低頻段天線(xiàn)技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行分析，該天線(xiàn)主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)[3]：

1) 帶寬寬：工作頻段低頻段，帶寬寬，若按1/8單極子天線(xiàn)設(shè)計(jì)，高度較高，對(duì)RCS指標(biāo)有較大影響，需要通過(guò)增加匹配網(wǎng)絡(luò)降低高度，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大；

2) 重量要求高：由于頻段帶寬寬，天線(xiàn)體積小型化困難，在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下，重量要求很難保證；

3) RCS指標(biāo)要求高：典型的RCS設(shè)計(jì)方案主要從結(jié)構(gòu)上考慮，共形設(shè)計(jì)。比較理想的結(jié)構(gòu)為圓形低剖面結(jié)構(gòu)，一般采用微帶天線(xiàn)。微帶天線(xiàn)帶寬僅10%左右，且輻射面要求較大。另外，由于頻段太寬，天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮分段設(shè)計(jì)，頻段切換復(fù)雜。因此，采用共形方案難度大，不滿(mǎn)足裝機(jī)要求。

考慮以上難點(diǎn)，在現(xiàn)有外露天線(xiàn)的基礎(chǔ)上采取優(yōu)化外形、改變安裝方式、以及加涂敷材料等措施減小天線(xiàn)的RCS值。

2 天線(xiàn)隱身改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 外形改進(jìn)設(shè)計(jì)[9]

圖1所示低頻天線(xiàn)是傳統(tǒng)形狀刀形天線(xiàn)，頭向隱身指標(biāo)很大，側(cè)向直接是鏡面反射，更無(wú)隱身可言，難于滿(mǎn)足隱身指標(biāo)要求，故采取圖2的柱狀天線(xiàn)，該天線(xiàn)進(jìn)行了如下的改進(jìn)設(shè)計(jì)：天線(xiàn)上鞭桿迎風(fēng)面傾斜30°；天線(xiàn)上鞭桿采用菱形結(jié)構(gòu)、漸變式；天線(xiàn)增益降低到-10 dB左右，使裸露在飛機(jī)外表面的上鞭桿尺寸盡量??；天線(xiàn)下鞭桿嵌入機(jī)身內(nèi)部。

圖1 刀形天線(xiàn)

圖2 柱狀天線(xiàn)

2.2 安裝方式改進(jìn)設(shè)計(jì)

圖1的安裝底座采用一個(gè)大的圓盤(pán)，從外往里裝，在結(jié)構(gòu)上開(kāi)一個(gè)大的安裝孔，增加了表面品質(zhì)問(wèn)題，圖2采用從里往外裝的小圓盤(pán)方式，在結(jié)構(gòu)上開(kāi)孔較小，對(duì)表面品質(zhì)影響較小。

2.3 涂敷隱身材料

對(duì)載機(jī)RCS值影響最大的肯定是天線(xiàn)的上鞭桿，由于天線(xiàn)的輻射單元在上邊桿，在上邊桿上噴涂隱身材料對(duì)天線(xiàn)電性能指標(biāo)有影響，通過(guò)對(duì)噴涂厚度的實(shí)測(cè)對(duì)比，測(cè)試在保證天線(xiàn)電性能指標(biāo)的前提下，在上鞭桿噴涂0.2 mm后的吸波材料。

3 隱身改進(jìn)前、后的仿真[10]

仿真軟件：FEKO，設(shè)置求解參數(shù)：入射波頻率(F1、F2、F3)、入射波波形(平面波入射)、入射波方位角范圍(0°～180°，其中0°為機(jī)頭方向)、入射方位角步長(zhǎng)(0.2°)、入射波極化方式(HH或VV)、單雙站選擇(單站)、計(jì)算方法為MLFMM[11]。天線(xiàn)俯仰角0°，天線(xiàn)帶水滴載體仿真。

3.1 改進(jìn)前的隱身仿真

對(duì)刀形天線(xiàn)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)表1。由于雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)大多在飛機(jī)的前向和側(cè)向，故選取前向和側(cè)向45°均值作為考核依據(jù)。從表1的結(jié)果明顯看出，3個(gè)頻點(diǎn)的前向RCS均值在-20～-16 dBsm，側(cè)向均值較差，基本無(wú)隱身可言，頻點(diǎn)F1的前向、側(cè)向RCS均值都比頻點(diǎn)F2、F3的前向、側(cè)向RCS均值差。

表1 刀形天線(xiàn)隱身仿真均值

3.2 改進(jìn)后的隱身仿真

在上面的改進(jìn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上(未噴隱身涂料)仿真曲線(xiàn)見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 RCS仿真曲線(xiàn)(頻點(diǎn)F1)

圖4 RCS仿真曲線(xiàn)(頻點(diǎn)F2)

圖5 RCS仿真曲線(xiàn)(頻點(diǎn)F3)

通過(guò)圖3～圖5和表2可以看出，桿狀天線(xiàn)的前向和側(cè)向RCS均值都比刀形天線(xiàn)有一定縮減，尤其是側(cè)向的RCS均值縮減效果明顯；在沒(méi)有噴涂隱身涂料的情況下，F(xiàn)1頻點(diǎn)的前向VV極化的均值為-22.69 dBsm、側(cè)向VV極化的RCS均值為-22.99 dBsm。針對(duì)該現(xiàn)象，進(jìn)行了多種結(jié)構(gòu)仿真驗(yàn)證(例如：天線(xiàn)外露部分縮短、天線(xiàn)頂部增加導(dǎo)角、采用三棱狀結(jié)構(gòu)等)，效果均不理想，考慮天線(xiàn)外露部分尺寸已經(jīng)非常小，通過(guò)結(jié)構(gòu)改善RCS指標(biāo)的空間已經(jīng)不大，只能通過(guò)噴涂隱身涂料進(jìn)一步改善RCS指標(biāo)。

表2 桿狀天線(xiàn)隱身仿真均值

4 改進(jìn)后的測(cè)試[12]

測(cè)試分兩步，第一步對(duì)未噴涂隱身材料的天線(xiàn)摸底測(cè)試，主要測(cè)試仿真數(shù)據(jù)較差的頻點(diǎn)F1；第二步對(duì)上邊桿涂覆0.2 mm厚的隱身材料后的天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試頻點(diǎn)F1；對(duì)F1頻點(diǎn)前向、側(cè)向VV極化的RCS均值的仿真、實(shí)測(cè)結(jié)果作了對(duì)比，見(jiàn)表3。

從表3發(fā)現(xiàn)天線(xiàn)未涂覆吸波材料前，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果趨勢(shì)一致，在天線(xiàn)涂覆吸波材料后F1頻點(diǎn)的前向VV極化的RCS值縮減了6 dB左右，側(cè)向VV極化的RCS值縮減了3 dB左右，可見(jiàn)隱身涂料對(duì)RCS值降低也行之有效。

表3 F1頻點(diǎn)VV極化RCS均值仿真及實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)低頻段外露天線(xiàn)采取優(yōu)化外形、改變安裝方式以及涂敷吸波材料等措施，在滿(mǎn)足天線(xiàn)電性能條件下大大減小了天線(xiàn)的RCS值，效果明顯。為機(jī)上其他外露天線(xiàn)及外露物的隱身設(shè)計(jì)提供了有力的設(shè)計(jì)依據(jù)。

[1] 賀媛媛，周超.飛行器隱身技術(shù)研究及發(fā)展[J].飛航導(dǎo)彈，2012(1)：84-91.

[2] 桑建華.飛行器隱身技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社,2013.

[3] 王一哲,鄭理,張吒.天線(xiàn)隱身技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2016(2):23-28.

[4] 王文濤，采用間距優(yōu)化的陣列天線(xiàn)RCS縮減方法研究[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，37(6)：,2010,06:1077-1081.

[5] 劉斌,劉曉春,孫世寧,周建江,張翔,廖文和.基于頻率選擇表面(FSS)技術(shù)的微小衛(wèi)星隱身天線(xiàn)罩設(shè)計(jì)[J].宇航學(xué)報(bào),2011(9):2009-2014.

[6] 朱華邦,朱逸冰.基于頻率選擇表面的雷達(dá)天線(xiàn)隱身應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2012(1):110-114.

[7] 劉辰.準(zhǔn)八木天線(xiàn)的一種新型隱身技術(shù)[J].船舶電子對(duì)抗,2014(1)：82-86.

[8] 牟春暉.平面天線(xiàn)寬帶RCS減縮技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2014.

[9] 成偉業(yè).CATIA V5R20完全自學(xué)一本通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[10]宮健,王春陽(yáng),李為民,郭藝奪.隱身飛機(jī)F-117A單站電磁散射面積仿真分析[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2009(2):41-42.

[11]滿(mǎn)明遠(yuǎn)，雷振亞，謝擁軍.電大目標(biāo)散射問(wèn)題的預(yù)修正多層快速多極子分析[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，39(2):137-139.

[12]閻滿(mǎn)存,余勇,李家壘,石艷霞.飛行器雷達(dá)隱身性能測(cè)試評(píng)估技術(shù)進(jìn)展[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2015(2):33-36,112.

[13]郝振興，羅繼勛，胡朝暉，等. 紅外探測(cè)與追蹤的雙機(jī)被動(dòng)定位模型[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2016，38(1)：28-32.

(責(zé)任編輯 楊繼森)

Improved Methods for Stealth of Low-Frequency Exposed Antenna

ZHOU Ping, GUO Wen, NIE Tun, TENG Jie, XU Yi-da

(Aircraft Industry Chengdu Aircraft Industry (Group) Co., Ltd., Chengdu 610092, China)

In order to decline designing cost, the methods for the stealth of low-frequency exposed airborne antenna was proposed (such as to optimize appearance of antenna, change the way for installation, coat absorbing materials on the cowling of the antenna and so on). To verify the availability for above means, the comparison was done between stealth simulation and test, which is carried out to obtain these mean values of RCS for different frequency and polarization. The present method can provide guidance for the stealth design in the future.

stealth design; exposed airborne antenna in a low frequency band; absorbing materials; stealth simulation; stealth tests; the mean of RCS

2016-10-22；

2016-11-20 作者簡(jiǎn)介：周萍(1977—)，女，高級(jí)工程師，主要從事飛機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與隱身設(shè)計(jì)研究。

10.11809/scbgxb2017.03.027

周萍,郭文,聶暾,等.一種低頻外露機(jī)載天線(xiàn)隱身設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(3):117-119.

format:ZHOU Ping, GUO Wen, NIE Tun, TENG Jie, et al.Improved Methods for Stealth of Low-Frequency Exposed Antenna[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):117-119.

V218

A

2096-2304(2017)03-0117-03