先進飛機平臺天線孔徑綜合的總體設(shè)計技術(shù)

吳 琦, 王曉明, 孫宏濤, 張棟梁

(1. 北京航空航天大學電子信息工程學院，北京 100191； 2. 中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；3. 中航工業(yè)集團成都飛機設(shè)計研究所，成都 610000)

0 引言

隨著先進飛行器平臺的快速發(fā)展，平臺上用頻設(shè)備數(shù)目與功能不斷增加，裝備有通信導(dǎo)航識別(CNI)、電子偵察對抗(ECM)、雷達、探測、測控等子系統(tǒng)。先進飛機平臺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)等保障平臺基本功能與先進性的天線，布局于有限且相對固定的區(qū)域內(nèi)。為避免用頻設(shè)備互擾，對天線間隔離度提出了更高的要求，且對平臺的氣動、隱身性能帶來了極大的挑戰(zhàn)。隨著微波、天線、集成電路等學科領(lǐng)域的快速發(fā)展，飛機平臺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行整合，實現(xiàn)射頻綜合[1]。射頻綜合系統(tǒng)不僅應(yīng)用于飛機、艦船、車輛等先進平臺，大型客機也開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進行整合，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，美國為保障第三代戰(zhàn)斗機FA-16正常工作，在平臺上布置了60多副天線，而經(jīng)過天線孔徑綜合設(shè)計后，F(xiàn)A-22戰(zhàn)斗機僅使用了20多個天線孔徑即可實現(xiàn)相同的功能[5]。先進飛機平臺天線孔徑綜合的難度主要體現(xiàn)在平臺上安裝的天線孔徑數(shù)量需縮減2/3，需要綜合運用多項先進天線技術(shù)，才能保證天線的基本性能要求。例如，先進飛機的氣動/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現(xiàn)天線的多頻帶工作，對實現(xiàn)天線孔徑數(shù)量的縮減非常重要；將多個天線單元共孔徑布置為單個天線孔徑是一種重要的實現(xiàn)方式，但單元間距離的減小將導(dǎo)致嚴重天線耦合干擾問題[6-7]。因此，天線孔徑綜合被認為是射頻綜合系統(tǒng)的主要難點之一。

本文以先進飛機平臺為例，介紹在天線孔徑綜合總體設(shè)計技術(shù)中的一些探索和思考。第1節(jié)主要介紹飛機平臺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)航識別天線為例，第4節(jié)介紹最新研究成果;第5節(jié)對本文的工作進行總結(jié)歸納。

1 機載天線孔徑綜合的整體思路

開展機載天線綜合一體化設(shè)計，并將綜合天線集成在飛機的外表面，為解決天線布局困難、隱身性能受限等問題提供了重要的技術(shù)手段，有助于提升平臺的綜合能力。因此，天線孔徑綜合的主要方向有兩個：一是減少天線數(shù)量，用一個天線實現(xiàn)多個天線的功能；二是將綜合化天線結(jié)構(gòu)內(nèi)埋于平臺內(nèi)部，大幅改善平臺的氣動與隱身性能[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)計實現(xiàn)的思路并不清晰。因此，首先對機載天線的主要類型和特點進行較為系統(tǒng)的整理歸納，為后續(xù)整體思路的提出打下基礎(chǔ)。

1.1 機載天線類型與特點

先進飛機平臺的機載和任務(wù)系統(tǒng)主要包括通信(含數(shù)據(jù)鏈)、衛(wèi)星導(dǎo)航、敵我識別、雷達、電子戰(zhàn)等子系統(tǒng)，其典型的工作頻率如表1所示。機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，機載天線系統(tǒng)需要進行科學的布局設(shè)計，考慮天線性能要求、飛機氣動性能、飛機質(zhì)心位置等關(guān)鍵指標。當前，中大型飛機的天線布局設(shè)計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個區(qū)域，如圖1所示[10]。其中，I區(qū)為機頭區(qū)域，位于飛機前部；II區(qū)為機背區(qū)域，即飛機頂部；III區(qū)為垂尾區(qū)域(飛機尾部)，部分高垂尾機型可在此布置大型天線；IV區(qū)為機腹區(qū)域，即飛機底部；V區(qū)為機翼前緣和上下表面區(qū)域，在飛機機翼可臨機布置一些任務(wù)系統(tǒng)天線。

圖1 機載天線布局區(qū)域

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

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載天線典型工作頻段和裝機位置，機載天線孔徑綜合整體設(shè)計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行綜合化設(shè)計，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，可以將多個窄帶天線進行綜合化設(shè)計，采用多頻或?qū)掝l天線技術(shù)實現(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行綜合化設(shè)計，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，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行綜合一體化設(shè)計。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多個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)，可以使單個天線工作在窄帶或?qū)拵В€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，機載天線孔徑綜合總體設(shè)計的重點區(qū)域有兩個。其一為機頭部位，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)，例如雷達與電子對抗等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的天線尺寸較大，且需要對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)進行綜合一體化設(shè)計；其二為飛機頂部，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、無線電測距等系統(tǒng)，可以采用超寬帶平面/共形振子天線技術(shù)綜合。近年來，共形全向天線技術(shù)發(fā)展較快，為L波段天線隱身設(shè)計提供了可能[12-14]。大型飛機還可以將VHF、UHF等頻段天線進行綜合化、共形化設(shè)計。

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)計水平。

2 機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。實際實現(xiàn)時可以通過加載可變電抗、加載PIN二極管開關(guān)、改變天線尺寸與電流分布等方法來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行切換，但天線工作頻帶基本不變。實際實現(xiàn)時可以通過使用特定天線結(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改變。可以使用天線陣列的思想，利用大量射頻開關(guān)(如MEMS開關(guān)陣列)等將不同的天線或同一個天線的不同部分分成不同的“子陣”單元，通過射頻開關(guān)陣列改變“子陣”單元的工作狀態(tài)，從而實現(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窄帶任務(wù)系統(tǒng)進行天線孔徑綜合，目前已經(jīng)成為一種常規(guī)的設(shè)計手段。雷達、電子對抗、通信等寬帶機載任務(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)綜合進寬帶系統(tǒng)內(nèi)。更寬的工作頻帶，可以承擔平臺上更多的任務(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)信機的工作頻帶相匹配，不能過分提升天線工作帶寬。與此同時，軟件無線電技術(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)埋或貼附于先進平臺外表面，與平臺的外形保持一致，可以很好地保證平臺的氣動布局與隱身性能。在共形天線的框架下，將原先分立于平臺外表面的多副天線，設(shè)計為可內(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散射截面，并有效提高內(nèi)部電路對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標準形狀的平臺中，例如平面、圓柱形、圓錐形、橢圓形等，這些平臺形狀能大大簡化共形天線的仿真計算，因此，大量共形天線分析基于上述平臺。常見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

將各類無線系統(tǒng)綜合布置在系統(tǒng)平臺內(nèi)部,需要非常注意天線之間的相互耦合干擾問題。以飛機常用的高度表收發(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，可能被高度表接收天線接收到，從而影響系統(tǒng)對飛機高度的判讀，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，同樣存在著電磁干擾的風險，一般稱之為帶外干擾。

為了進一步定量分析上述問題，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)射機帶外抑制，ISO為收發(fā)天線間的隔離度，Sen為接收機靈敏度。

考慮到IM需要有6 dB的安全裕量，可以計算得到當天線隔離度大于49 dB時，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機體遮擋等方法解決天線耦合干擾問題，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副天線進行綜合一體化設(shè)計，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題。同時，電磁兼容性分析指明了天線隔離度設(shè)計的目標[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

為了將問題簡化，首先分析高度表發(fā)射天線與微波著陸天線的綜合天線。通過天線電流分布的特點，利用短路探針加載耦合模式中電場比較大的位置，來達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，在電場較強的位置加載短路探針，可以大大減弱探針位置的切向電場強度，以達到電場抑制的效果。

在將兩天線之間距離縮減為8.5 cm時，通過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。可以看出，在圖中橢圓形標記處電場較大，因此選擇在這些電場比較強的位置加載短路探針，以達到抑制電場強度的效果。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，需要對天線尺寸進行適當微調(diào)，最終獲得的天線S參數(shù)結(jié)果如圖4所示。可以看出，兩個天線在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，但仍滿足實際工作需要。

圖3 天線在5.06 GHz頻率下的電場分布

圖4 加載短路探針后，天線S參數(shù)仿真對比圖(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稱的，因此還需要分析孔徑綜合一體化設(shè)計后的天線輻射方向圖是否存在畸變等問題。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面均沒有發(fā)生明顯變化，增益還略有提升，說明了在對高度表發(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行結(jié)構(gòu)上的改變，因此天線方向圖幾乎沒有變化，這是在預(yù)期之內(nèi)的。

(a) E面方向圖對比

(a)phi=0°

進一步將高度表接收天線與上述兩綜合天線進行綜合一體化設(shè)計。由于高度表收發(fā)天線之間的隔離度要求達到85 dB，需要適當增大天線距離至100 mm。此時，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)天線距離達到200 mm。通過適當?shù)脑O(shè)計和表面波抑制措施，可以達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，是射頻綜合系統(tǒng)的主要難點之一。本文對天線孔徑綜合可能涉及的總體技術(shù)進行了探索和介紹。以先進飛機平臺為例，本文較為系統(tǒng)地梳理了通信、導(dǎo)航、識別、雷達、電子戰(zhàn)等機載子系統(tǒng)特點，提出了孔徑綜合天線設(shè)計的就近原則。根據(jù)筆者的科學研究和工程實踐經(jīng)驗，介紹了機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，天線耦合干擾問題是天線孔徑綜合總體設(shè)計必需考慮的問題。

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)評估給出的天線隔離度要求，并通過合理的天線設(shè)計實現(xiàn)上述要求的樣機研制過程。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。