郭先松，孔令兵，劉小飛

(1. 南京電子技術研究所，　南京 210039;　2. 天線與微波技術重點實驗室, 南京 210039)

(3. 中郵建技術有限公司，　南京 210012)

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機載預警雷達天線發(fā)展趨勢及關鍵技術

郭先松1,2，孔令兵3，劉小飛1,2

(1. 南京電子技術研究所，南京 210039;2. 天線與微波技術重點實驗室, 南京 210039)

(3. 中郵建技術有限公司，南京 210012)

摘要：綜合性預警探測多功能一體化系統(tǒng)是下一代機載預警雷達的一種必然趨勢，它要求天線陣面具備多功能、與平臺一體化的特征，實現(xiàn)超寬帶、多頻段性能，并能在硬件資源上支撐數(shù)字智能化的系統(tǒng)體系架構。文中首先分析了機載預警雷達天線陣面的發(fā)展趨勢和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，繼而分析了目前機載預警雷達天線系統(tǒng)的關鍵技術，闡述了相應的技術實施途徑和核心問題，提出部分解決方案。

關鍵詞：相控陣天線；超寬帶天線；端射天線；智能蒙皮

Development Trend and Key Technology of

0引言

機載預警雷達的根本任務是在復雜的電磁環(huán)境中下視探測目標，地雜波、干擾信號、隱身目標是其面臨的主要挑戰(zhàn)[1]。其技術進步始終是圍繞著上述挑戰(zhàn)開展，其中天線技術進步最具代表性。第一代機載預警雷達直接把地面雷達搬上飛機，天線形式多為反射面、常規(guī)陣列天線[2]，天線副瓣電平高，地雜波強，加之雷達的反雜波技術落后，導致雷達在陸地上探測性能弱，以海面上空工作為主。以E-3A為代表的第二代預警雷達，天線技術取得了長足進步，天線采用波導縫隙陣列陣[3-5]，實現(xiàn)了超低副瓣。我國研制的ZDK03預警機采用波導縫隙陣列，天線副瓣電平優(yōu)于-40 dB，極大提高了雷達的反雜波及抗干擾能力。第三代預警機雷達中有源相控陣、數(shù)字陣技術得到廣泛的應用[6]，國外研制的鷹眼(E2-D)、鍥尾、海雕，國內(nèi)

研制空警-2000、空警-200都裝配了有源相控陣雷達。

隨著預警機雷達技術發(fā)展[7]，實現(xiàn)綜合性預警探測系統(tǒng)呈現(xiàn)為一種主要趨勢，對雷達、通信、電子戰(zhàn)、JIDS 天線孔徑進行綜合是必然要求。針對這樣功能及性能的需求趨勢，對相控陣天線系統(tǒng)提出了如下發(fā)展需求：

1)超寬帶、多頻帶

由于不同的頻率資源適用于不同的功能需求，超寬帶多頻段是實現(xiàn)多功能的基本要求，而其實現(xiàn)方式可以采用超寬帶或者多頻嵌套的方式。但它們均面臨著多種工程問題和難點。

2)功能、平臺一體化

大孔徑天線在載機平臺上的安裝矛盾突出，機頭空間有限，背在機背上影響飛機的氣動性能。因此，較好的解決辦法是把雷達天線和機身融合在一起，把雷達天線安裝在飛機蒙皮內(nèi)，通過共形相控陣天線和超薄型設計技術實現(xiàn)蒙皮天線是未來機載預警雷達的一

個發(fā)展趨勢。蒙皮天線基本特征是輕薄化、共形化、可端射、可承載，同時雷達功能需要天線具有高增益、低副瓣等性能，因此，也帶來諸多技術難題。包括低波段、超寬帶和輕薄化的矛盾，共形端射和低副瓣的矛盾等等。

3)數(shù)字智能化

智能化體系架構要求陣面系統(tǒng)具有數(shù)字自適應的特征，包含數(shù)字T/ R組件、數(shù)字波形產(chǎn)生、數(shù)字幅相控制、數(shù)字波束形成及大功率發(fā)射模塊等。

針對這些功能需求和技術難題，多功能一體化天線陣面需要從寬帶天線、共形天線、多頻天線、端射天線以及蒙皮天線方面開展探索研究。

1新一代機載預警雷達天線發(fā)展趨勢

國外預警機雷達天線經(jīng)歷機械掃描、機相掃和有源相控陣幾個階段的發(fā)展，進入了平臺一體化階段。波音公司的楔尾預警雷達采用了“T”形陣列布局[7-8]，如圖1所示，雖然還是背負式結(jié)構，不同于傳統(tǒng)的蘑菇罩方案，其背鰭提供足夠的大天線口徑，實現(xiàn)對機身兩側(cè)空域的覆蓋，頂帽天線采用端射陣技術實現(xiàn)前后空域的覆蓋。端射陣列的應用不僅是該型預警機的技術亮點，也為預警機雷達開辟了一條新的技術路線。

鍥尾預警機雷達對相控陣天線進行了創(chuàng)新性嘗試，但仍屬于平臺加任務設備的方案。為了進一步突破平臺對天線口徑限制，美國空軍研究實驗室(APL)20世紀90年代啟動的“傳感器飛機”預先研究項目，代表下一代預警機的一個發(fā)展方向[8-10]，如圖2所示，其目標是開發(fā)一種高空長航時無人預警機，集預警偵察和指揮控制功能于一體。其最顯著的技術特征是采用蒙皮天線，雷達天線和飛機蒙皮天線一體化設計，整機以傳感器為核心，獲得超大天線口徑，同時保證對飛機的氣動外形，載荷需求。傳感器飛機設想安裝雙波段天線，分別覆蓋高低頻段。

圖2　傳感器飛機

在低頻段雷達方面，空軍研究實驗室授予諾·格公司“傳感器飛機共形低頻段天線結(jié)構”(S-CLAS)合同。諾·格公司研制出面積為7.6 m×2.7 m(25單元)、承重能力為700kg/cm2(F/A-18飛行時機身中部壓力為280 kg/cm2)的小面陣，工作頻段0.15 GHz~2.20 GHz。圖3為其小面陣實物圖。目前，項目改名為“低頻段結(jié)構天線”(LOBSTAR)，不過研制工作在持續(xù)進行，并將在BAC111飛機上驗證。

在高頻段雷達方面，空軍研究實驗室于2004年授予雷聲公司“X頻段薄雷達孔徑”[11](XTRA)合同，雷聲公司于2006年完成研制工作，其基本構型如圖4所示。天線具備共形、承重能力強的特點。

圖4　XTRA在傳感器飛機上集成示意圖

陣列的核心內(nèi)容包括可承載陣、共形陣和輕薄陣等三類。波音公司通過“多功能結(jié)構與共形孔徑”項目[12]，瞄準三類結(jié)構組件開展一體化天線研制如機翼(一級結(jié)構)、武器艙(二級結(jié)構)、整流艙或側(cè)機身(三級結(jié)構)。目前已完成大規(guī)模機翼組件(LCSw)和大規(guī)模艙門組件(LCSd)測試，如圖5所示。LCSw測試演示和校驗了大規(guī)模結(jié)構陣列作為一級結(jié)構的結(jié)構和電氣耐久性；LCSd結(jié)構一體化天線適用于二級結(jié)構，且在較高的聲壓級條件下的生存能力較強。該天線在三級結(jié)構工作環(huán)境中的適航能力得到了驗證。

從上述信息可以看出，寬帶、多頻、端射、共形、蒙皮天線技術是預警機雷達相控陣天線技術發(fā)展趨勢。

2機載預警雷達天線關鍵技術

2.1超寬帶相控陣天線

頻率資源是雷達可供利用的最重要的資源之一，各種不同的頻段資源具有各自的優(yōu)勢和劣勢，使用于不同的應用場合。在下一代先進預警機的多功能、多任務、高性能、智能化、一體化的要求之下，需要合理結(jié)合各個頻段資源的性能優(yōu)勢，實現(xiàn)綜合性預警探測系統(tǒng)，實現(xiàn) “預警探測→目標識別→信息傳輸→協(xié)同作戰(zhàn)→戰(zhàn)場評估”的現(xiàn)代作戰(zhàn)模式，提高作戰(zhàn)效能和生存能力。

天線作為上述超寬帶或多頻段雷達天線系統(tǒng)的核心技術，首先要求具有超寬帶或者多頻段性能，同時組陣條件下實現(xiàn)波束性能和掃描特征滿足系統(tǒng)指標要求。超寬帶天線種類很多，適合相控陣應用的超寬天線形式較少，根據(jù)超寬帶天線的技術特點，劃分為四個代次[8]，如圖6所示。第一代為長槽線天線單元，工作帶寬可以到達8個倍頻程，性能穩(wěn)定，應用廣泛。主要存在相對較高的缺點，通常需要工作低頻點的0.5~1個波長，對于低頻段應用尺寸偏大。第二代天線單元是在第一代單元基礎上得到改進，采用平衡饋電技術，避免寬帶巴倫，天線高度減低到高頻段的半個波長以下，典型帶寬可以到4個倍頻程，但天線的極化特性差，同時需要平衡饋電，限制工程應用。第三代天線單元和前兩代單元技術差異較大，它是從對稱振子天線和縫隙天線單元演化出來的，利用相鄰單元間的耦合電容來匹配反射板的感性效應實現(xiàn)寬帶匹配，天線高度為中心頻率的1/4波長，該種天線形式需要利用天線單元間的強烈互耦效應[13-15]，需要單元間距遠小于高頻端的半波長，導致陣列應用中單元數(shù)量偏多，影響工程使用。第四代單元在第三單元單元的基礎上利用高阻磁性材料加載來壓低天線高度，天線高度小于高頻段的1/10波長，由于磁性加載材料存在，天線效率較低，帶內(nèi)損耗約2 dB。

超寬帶天線的單元間距通常為高頻端的半個波長左右，在低頻端天線單元間距遠小于半個波長，小單元間距產(chǎn)生強烈的互耦效應，對單元的饋電精度要求嚴格，如果饋電誤差偏大，導致天線有源駐波急劇惡化，如果處理不當，將會帶來嚴重后果。仿真和實驗結(jié)果表明，對于一個10×10單元的槽線陣列天線，設計帶寬為3.5個倍頻程，在最大掃描角度為60°時，饋電相位誤差到30°時，會出現(xiàn)全反射現(xiàn)象。

強烈的互耦還會產(chǎn)生第二個問題，天線邊緣效應明顯，陣列邊緣單元的駐波特性和方向圖特性明顯退化，對相控陣的饋電系統(tǒng)及自適應波束形成帶來影響。在天線口徑資源充分的應用環(huán)境中，可以通過設定啞元單元來避免該問題，但機載預警雷達天線，天線口徑尺寸是最寶貴的天線資源，則必須通過技術措施保證邊緣天線單元可用。

因此，超寬帶天線技術發(fā)展的重點不僅是如何提高天線帶寬、降低天線尺寸，還要處理好相控陣的饋電幅相精度控制及邊緣單元的處理。

2.2共形陣列天線

共形相控陣天線[16-17]也是天線適應現(xiàn)代預警探測雷達智能化、輕型化需求的技術途徑。從裝備個體來看，滿足同時多功能及裝備輕型化的需求要有更為智能化且能與裝備最大限度融合天線部件；從整個作戰(zhàn)體系來看，如何快速適應復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，并實現(xiàn)與立體作戰(zhàn)空間內(nèi)的各型武器裝備的高度協(xié)同，也迫切需要有智能化的信息獲取、傳遞手段作為支撐，這也離不開智能天線技術。下一代預警探測要求在分辨率、探測距離和范圍、響應時間、隱身性能上獲得提升，提出了大角度掃描、低副瓣、多波束、低散射截面等要求。

機載共形天線指一個與機體形狀共形的天線和天線陣列，甚至作為載機表面的一部分。機載預警雷達采用共形陣方案可以顯著改善平臺對雷達天線的限制，充分利用平臺面積，增大天線口徑，提高對隱身目標的探測距離，改善雷達天線對安裝平臺空氣動力學性能的不良影響，改善普通平面相控陣雷達天線寬角掃描性能退化較大的缺點。共形天線將是未來預警雷達的發(fā)展方向。

從已有的陣元來看，共形單元可以從以下幾個方面考慮。

(1)槽開口天線，這類天線組成的陣列在方位面內(nèi)通過butller 矩陣和移相器實施相控掃描,俯仰面上通過頻率控制器實施頻掃。這種槽天線的帶寬典型值可以達到30%，并且具有低副瓣特性。

(2)微帶天線，微帶天線由于具有剖面低、體積小、重量輕、易于與系統(tǒng)集成等特點， 近年來被廣泛用于導彈、 飛機、 衛(wèi)星、 火箭等飛行器上。同時，由于微帶天線自身頻帶窄、損耗大，單個微帶天線功率容量低、 介質(zhì)基片對性能影響大等特點， 往往又需要加以改進 ，如加寄生貼片、使用短路針、采用雙層或多層結(jié)構、貼片開槽等。這種天線非常適合目前的多模天線系統(tǒng)。而當需要圓極化時， 輻射元可選用印刷螺旋形，因為它在寬帶內(nèi)具有良好性能。

(3)共面波導饋電型。共面波導是一種可以采用微帶加工工藝的傳輸線， 但改進了對場的束縛， 從而減小了交叉極化和互耦。共面波導與輻射縫隙能夠組合成多種寬帶天線單元形式， 利用共面波導對漸變縫隙天線饋電。

2.3嵌套多功能陣列天線

現(xiàn)代相控陣多功能雷達要求系統(tǒng)滿足多種工作模式需求，對天線陣面提出了多頻段一體化的技術要求，并且常常多個頻段都要求大角度掃描。因此，對其設計提出了較高的挑戰(zhàn)。機載預警雷達功能一體化對天線帶寬更高的需求，當頻率帶寬放超過7個倍頻程，到達10個甚至更寬的工作帶寬時，超寬帶天線技術理論上可以實現(xiàn)，但工程上很難實施，除了超寬帶單元本身的設計難度，天線帶寬越寬，天線高頻段的工作波長越短，對天線的寬帶饋電困難，同時相控陣天線饋電系統(tǒng)的重量會急劇增加。此時相控陣天線必須采用多波段設計，為了獲得最佳口徑利用效率,須采用口徑嵌套技術。

嵌套多功能天線陣面是充分利用平臺資源，最大發(fā)揮口徑效率,實現(xiàn)多種功能的一種有效方法。該方式同時在有限的口徑上需劃分多波段利用，每個頻段的口徑資源均能獲得最大化利用。圖7是一種典型的多頻段共口徑天線實施方式，其基本單元為平面微帶單元形式，通過多個頻段間的頻率倍數(shù)關系，合理設計單元的間距比例，通過單元優(yōu)化，使得低頻段輻射單元間距是高頻段輻射單元的整數(shù)倍。在單元的基本結(jié)構排布關系確定后，再通過全波數(shù)字仿真對單個頻段的輻射單元進行優(yōu)化設計，再基本電信特征滿足要求后，再進行不同頻段之間的天線一體化設計仿真。其內(nèi)容包含在保證寬頻、寬角工作的同時，提高嵌套天線工作頻率、極化選擇的自由度，以及嵌套后各單元本身的輻射性能優(yōu)化、相互之間的電磁環(huán)境評估及影響消減。

圖7　嵌套共口徑天線

這種嵌套方案易于實現(xiàn)天線輕薄設計，實驗結(jié)果表明低頻段的性能可以保證，高頻段的性能有所下降。同時，嵌套天線存在多頻天線之間的相互影響的問題必須針對相應的應用需求和技術特征進行協(xié)同設計和性能權衡。

2.4端射陣列天線

側(cè)射陣的輻射方向垂直于陣列平面。天線的增益越高，所需要的陣列的口徑面積就越大。因此，高增益的相控陣雷達的口徑面積就相當巨大，并且一般位置固定。機載平臺的口徑資源相對緊張，很多時候其平行于輻射方向的口徑較大，因此利用該部分口徑資源是機載預警雷達天線陣面的一種發(fā)展趨勢。端射陣正是能夠滿足上述需求的一種陣列。由于其最大輻射方向指向單元排列的軸向而不是法向，適合應用在需要較小風阻、較低安裝高度的場合，特別是在各種機載平臺機翼、機身等應用方面。

在陣列天線理論上，端射陣和邊射陣沒有本質(zhì)區(qū)別，根據(jù)端射陣的陣因子理論公式[2]，端射陣可以等效于邊射陣波束掃描90°或者大于90°的特殊情況。邊射陣在工程中廣泛應用，而端射陣在工程鮮有應用。究其原因，主要是端射陣在工程存在如下技術限制。

1)波束上翹

由于端射天線中反射背板的存在，當天線向端射方向輻射時，輻射波束因陣中單元方向圖在與地板平行方向不是最大輻射方向而產(chǎn)生波束上翹。圖8是典型端射陣方向圖，可以看出，由于地板的影響，波束上翹約15°，端射方向增益下降3~5 dB。

圖8　典型端射陣方向圖

2)單元匹配困難

端射天線單元之間的相互遮擋和復雜的耦合問題較為突出。當陣元數(shù)目增多時，陣列的性能與設計要求差距增大，還有駐波的變差都會導致端射陣整體性能的惡化。并且當天線與平臺外形共形時，每個單元的陣中環(huán)境均不一樣，大幅增加了單元匹配的難度。

3)波束掃描受限

從端射天線適應的應用場景可以看出，大多端射天線陣列俯仰方向的波束寬度較寬，同時由于前述的單元遮擋問題、波束掃描時的單元間耦合狀態(tài)變化，導致了天線陣列掃描增益性能和低副瓣性能難以保證，需要多種輔助設計手段進行綜合優(yōu)化仿真分析。此外，當增加波束指向方向的陣列單元個數(shù)時，由于單元之間的耦合變化得更加復雜，其增益的提高已經(jīng)變化得非常緩慢。這些特點使得其應用于窄波束、高增益、低副瓣等雷達天線方面存在諸多工程問題。然而，上述技術問題成為端射陣研究的主要方向，我們期望波束上翹可以通過雙層單元排布解決，單元匹配通過適當有耗加載來改善，波束掃描通過單元獨立饋電等方式來解決。

2.5蒙皮天線技術

對下一代的機載平臺而言，無論是有人駕駛的下一代戰(zhàn)斗機還是自主操控的高性能無人機都朝著速度更快、飛行高度更高、功能更全面更先進的目標發(fā)展。對其雷達載荷而言，越輕質(zhì)、越薄型、功能越綜合越強大，其需求的優(yōu)勢就越明顯。而隨著數(shù)字化、軟件化能力的提升，雷達中的主要硬件資源已向天線陣面集中，或者可以說天線陣面已成為下一代先進雷達體制的硬件平臺。因此，機載雷達載荷輕質(zhì)超薄型乃至與氣動外形一體化共形的蒙皮式相控陣天線是其主要的需求與發(fā)展方向。智能蒙皮天線不是將平臺與雷達單獨設計并集成，而是在方案論證之初就采用一體化思路，將雷達天線與機體外形及結(jié)構高度集成。這就是“蒙皮天線”的核心。

蒙皮天線陣列是電信工作單元與平臺承載結(jié)構一體化過程中最為關鍵的要素，也是實現(xiàn)智能蒙皮系統(tǒng)需要攻克的首要問題，其體系架構直接決定了作戰(zhàn)能力、適裝性能和裝備成本。

蒙皮天線涉及的技術因素包括材料選擇、制造工藝、天線集成、承載能力、形變補償、雷電防護等。其中天線形式及集成方案技術重點。圖9為典型蒙皮天線的一種方案構想。

圖9　蒙皮天線基本架構圖

其中，共形可承載天線是關注重點，可根據(jù)工作的不同頻段選擇不同的天線單元形式。對于高頻段天線通常采用邊射陣列天線形式，主要技術難度在材料工藝方面，本文不做詳細論述。對于低頻段天線，由于更容易獲得水平安裝空間，需要采用端射陣天線。低頻段的波長長，常規(guī)單極子端射單元高度尺寸大，不適合蒙皮安裝，因此需要研究輕薄化端射單元。同時，共形能力和大角度掃描能力也是蒙皮天線技術難點。

適合蒙皮天線的端射單元技術還在研究中，研究人員提出了各種單元形式，都在厚度、帶寬、效率、阻抗匹配、掃描能力方面存在一些技術問題。其中，加載單極子和長縫單元都可以有效降低單元高度，加載單極子工作為垂直極化，長縫單元工作在水平極化。

圖10是長縫端射天線單元的仿真模型及仿真單元方向圖，單元的高度小于1/10波長。該天線利用縫隙作為輻射單元，通過前后縫隙間饋電相位調(diào)整，實現(xiàn)端向輻射,通過兩組正交的縫隙組合使用，控制饋電相位，理論上可以實現(xiàn)水平面內(nèi)任意指向的輻射。輸入阻抗匹配同樣是該單元必須解決的技術難題。

圖10　長縫端射天線單元

我們選取典型的機翼蒙皮天線應用場合，開展機翼樣段蒙皮天線陣仿真計算，系統(tǒng)采用貼片式輻射單元，實現(xiàn)前向輻射。圖11為蒙皮天線三維模型。

圖11　機翼樣段蒙皮天線陣

圖12 為上述蒙皮天線陣的法線方向圖和掃描30°的方向圖，由圖可見機翼蒙皮天線可以實現(xiàn)基本天線輻射特性和掃描特性。

3結(jié)束語

隨著預警機雷達技術發(fā)展，實現(xiàn)綜合性預警探測系統(tǒng)呈現(xiàn)為一種主要趨勢，即同時具備對空預警、對海預警、綜合目標識別、偵察成像、輻射源探測、高速數(shù)據(jù)通信、有源干擾等多種功能。針對這樣的功能及性能需求趨勢，對相控陣天線系統(tǒng)提出了超寬帶、多頻帶，功能、平臺一體化，數(shù)字智能化等發(fā)展要求。本文針對這些功能和技術需求，論述了多功能一體化天線陣面在寬帶天線、共形天線、多頻天線、端射天線以及蒙皮天線等方面的關鍵技術問題，對主要研究方向和實施途徑進行了梳理。

參 考 文 獻

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郭先松男，1973年生，研究員級高級工程師。研究方向為機載預警雷達相控陣天線設計。

孔令兵男，1981年生，高級工程師。研究方向為通信工程項目管理，通信無線網(wǎng)絡的建設與優(yōu)化，弱電智能化系統(tǒng)集成等。

劉小飛男，1981年生，博士，高級工程師。研究方向為相控陣天線與微波技術。發(fā)表論文十余篇。

Airborne Early-warning Radar Antenna

GUO Xiansong1,2，KONG Lingbing3，LIU Xiaofei1,2

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

(2. Science and Technology on Antenna and Microwave Laboratory,Nanjing 210039, China)

(3. China Communications Technology Co.,LTD,Nanjing 210012, China)

Abstract：A trend for next generation airborne early warning radar is multi-function integrated detection. The antenna array is required to have the characteristic of multi-function and integration with the platform, and meanwhile realize the ultra-wideband and multiple frequency band performance. The hardware supporting the digital intelligent radar scheme is also required. Firstly, the development trend and current status is introduced of the airborne early warning radar antenna in the world-wide. Then the key technology of the airborne early warning radar antenna is analyzed. Finally, the technical routes and core issues are illustrated and partially the solution methods are proposed.

Key words：phased array antenna; ultra-wideband antenna; end-fire antenna; smart skin antenna

收稿日期：2015-07-26

修訂日期：2015-09-28

通信作者：郭先松Email：xsguog@139.com

中圖分類號：TN82

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2015)12-0019-06