史則穎，葉冬，彭子寒，謝寒，王洪揚(yáng)，蔣宇，黃永安

華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074

共形天線是與載體表面結(jié)構(gòu)外形保持一致且不向搭載對(duì)象引入額外負(fù)擔(dān)的天線或天線陣。它在不影響載體的外形結(jié)構(gòu)及空氣動(dòng)力學(xué)等特性下，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)天線的導(dǎo)航、通信、定位等功能。相較于平面陣天線，共形天線具有諸多優(yōu)勢(shì)：① 具有低剖面性，保證載體良好的氣動(dòng)性，從而對(duì)飛行器的氣動(dòng)性影響較小；② 降低雷達(dá)散射截面積(Radar Cross-Section, RCS)，傳統(tǒng)天線的性能依賴于其外形結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重增加飛行器的RCS，降低載體隱身性能[1-2]；③ 增大天線孔徑，載體的大表面積可增大天線孔徑，從而提高天線性能并且降低飛行器載荷[3]。共形天線已成為現(xiàn)代無(wú)線通信天線領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，在飛機(jī)、導(dǎo)彈、及衛(wèi)星等高速飛行器領(lǐng)域頗具應(yīng)用潛力。

共形天線的研究工作起源于20世紀(jì)30年代，Chireix[4]將平板單極子天線陣元旋轉(zhuǎn)對(duì)稱放置，實(shí)現(xiàn)了方向圖的全向覆蓋。1966年，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的學(xué)者研究了Wullenweber陣列天線，制作了傳統(tǒng)意義上的圓環(huán)相控陣天線，實(shí)現(xiàn)了水平方向的全向覆蓋[5]。受限于科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的限制，在20世紀(jì)90年代左右共形天線才進(jìn)入了高速發(fā)展的階段。德國(guó)應(yīng)用科學(xué)研究所于2006年研制出了球面共形天線微帶陣列，它是由95個(gè)子陣組成，每個(gè)子陣包含3個(gè)圓極化微帶天線單元[6]。同年，研究者采用分段平面法與橢圓柱面基底形成共形的設(shè)計(jì)方法，研制出了“ERAKO”共形天線[7]。2013年美國(guó)Kymeta公司與國(guó)際海事衛(wèi)星組織研制了一款基于超材料的Ka頻段低剖面相控陣天線，超材料的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)無(wú)移相器的電子波束掃描，與機(jī)體實(shí)現(xiàn)共形[8]，圖1介紹了部分研究應(yīng)用的發(fā)展歷程。中國(guó)從1980年開(kāi)始研究共形陣天線，1990年開(kāi)始研究共形陣天線陣元，并取得了突破，21世紀(jì)開(kāi)始研究共形相控陣天線，并完成了樣機(jī)的制備。2012年珠海航展上公開(kāi)展出了CS/RB1雷達(dá)，采用了圓柱共形相控陣設(shè)計(jì)，具備360°探測(cè)能力，工作在L波段，適合要地防空、快讀投送中探測(cè)需求，可適用于各種運(yùn)輸機(jī)、直升機(jī)的空投需求。CS/RB1雷達(dá)的出現(xiàn)標(biāo)志著中國(guó)共形相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)已從研究階段走向正式應(yīng)用。

共形天線在飛行器應(yīng)用領(lǐng)域已取得了一定的進(jìn)展，該技術(shù)有望改變傳統(tǒng)飛機(jī)的設(shè)計(jì)理念，大幅度提升軍事設(shè)備的探測(cè)能力、隱身能力等，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等航天器上的共形天線需求越發(fā)迫切，傳統(tǒng)天線制造工藝已經(jīng)無(wú)法滿足天線小型化、曲面化、輕量化的制造要求。新型制造工藝如噴印、轉(zhuǎn)印等工藝因其可進(jìn)行大面積、低剖面天線的共形制造等特點(diǎn)，在飛行器共形天線制造領(lǐng)域頗受關(guān)注，與此相關(guān)的制造工藝、應(yīng)用、性能等已經(jīng)成為了當(dāng)前天線研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。飛行器共形天線的發(fā)展歷程見(jiàn)圖1。本文從共形天線的基本概念及優(yōu)勢(shì)、國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r、新型制造工藝、不同軍事飛行器中的應(yīng)用以及關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題等幾個(gè)方面對(duì)共形天線技術(shù)進(jìn)行了分析，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向做了展望。

1 共形天線制造技術(shù)

飛行器表面共形天線制造涉及微納功能結(jié)構(gòu)在任意自由曲面上的集成工藝，常用的平面電子制造工藝?yán)绻饪碳夹g(shù)很難滿足在曲面上制造電子電路，通常需要借助平面轉(zhuǎn)曲面方法實(shí)現(xiàn)，即先將電子電路制備在平面柔性襯底上，再利用轉(zhuǎn)印技術(shù)將平面電子貼附到曲面達(dá)到共形。然而，對(duì)于一些大曲率表面結(jié)構(gòu)，為保證柔性基底與曲面緊密接觸，需要將柔性基底切割成窄帶狀，這導(dǎo)致帶狀件之間橫向互連尤為困難。本節(jié)介紹了共形天線新型制造工藝，重點(diǎn)介紹打印、轉(zhuǎn)印工藝，解決直接在曲面上進(jìn)行加工的難點(diǎn)，并簡(jiǎn)要介紹其他共形天線制造方法，例如激光直寫(xiě)成型技術(shù)、全息光刻技術(shù)、微流控技術(shù)以及絲網(wǎng)印刷技術(shù)等。

1.1 打印制造技術(shù)

打印工藝作為一種非接觸式的印刷方式，減少了對(duì)基底形狀結(jié)構(gòu)的限制，同時(shí)無(wú)需制作掩模版等，工藝過(guò)程較為靈活[9-10]。擠出式打印借助精密流量泵實(shí)現(xiàn)微小墨滴在基底表面的精準(zhǔn)沉積，結(jié)合多軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以很好地在任意表面上進(jìn)行共形直寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)全向打印，是一種低成本、簡(jiǎn)便、環(huán)境友好型的打印方式，同時(shí)具有多材料、低溫打印的特點(diǎn)，可適用于溫敏基板的多種材料復(fù)合打印。Gao等[11]利用圓珠筆連接液態(tài)金屬墨水存儲(chǔ)器，直接在柔性的基底上直寫(xiě)印刷出液態(tài)金屬電感電容器件和天線，如圖2(a)所示。Park等[12-13]通過(guò)將修飾鉑的碳納米管均勻分散在液態(tài)金屬基質(zhì)中，開(kāi)發(fā)了用作可拉伸互連材料的液態(tài)金屬基復(fù)合材料，使用高分辨率打印機(jī)以擠出的方式將其打印可靠地形成1.9 μm的最小線寬，并且可以在保持原始分辨率的情況下將打印的圖案重新配置為各種3D結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。該重新配置可以執(zhí)行多次，很好地用于可重構(gòu)天線，該天線可通過(guò)更改幾何形狀或用作機(jī)械開(kāi)關(guān)的可逆移動(dòng)互連來(lái)進(jìn)行調(diào)整。這種高可靠性、可重復(fù)、新穎的打印材料和打印方式代表了液態(tài)金屬天線制造技術(shù)中的最新技術(shù)。圖2(c)[14]展示了在3D半球形玻璃基板表面上共形直寫(xiě)制造天線，其帶寬接近其尺寸的基本極限，比基本的單極子設(shè)計(jì)提高了近一個(gè)數(shù)量級(jí)。Wang等[15]將微滴噴涂直寫(xiě)與金屬激光燒結(jié)后處理結(jié)合，可在非可展彎曲剛性基板上創(chuàng)建貼片陣列和分隔網(wǎng)絡(luò)，制造了具有8個(gè)貼片、工作頻率為13 GHz的球形共形承載天線陣列原型，通過(guò)測(cè)試證明了新型三維打印制造技術(shù)對(duì)該特殊共形承載天線陣列的適用性，如圖2(d)所示。然而，擠出式打印工藝在打印過(guò)程中分辨率會(huì)受噴嘴尺寸的限制，打印容易遇到噴嘴堵塞的情況，通常只能兼容較低黏度的打印墨液。此外，由于沉積基底外形不規(guī)則、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)算法復(fù)雜等原因，當(dāng)前曲面共形打印的速度通常不高。

圖2 直寫(xiě)工藝制作共形天線Fig.2 Conformal antenna made by direct writing

噴墨打印過(guò)程是一種高效、非接觸、非沖擊、可按需制造的打印方法，將各種材料直接印刷分布到基板上，打印步驟簡(jiǎn)單，在室溫下直接運(yùn)行而無(wú)需特殊的打印環(huán)境。噴墨打印利用熱泡法、壓電或電流體噴印(Electro-Hydro Dynamics, EHD)3種工藝將不同體積和黏度的墨滴材料精準(zhǔn)輸送到平面或非平面基底上的所需位置，直接實(shí)現(xiàn)平面/曲面微納結(jié)構(gòu)的成形制造[9]。其中，EHD采用“拉”的方式進(jìn)行打印，可打印的材料黏度在1～10 000 cP(1 cP=10-3Pa·s)范圍內(nèi)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的噴墨印刷技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)亞微米(<1 μm)打印分辨率，通過(guò)調(diào)整墨水流變性能、打印高度和施加電壓可以實(shí)現(xiàn)3種打印技術(shù)——按需點(diǎn)噴、近場(chǎng)直寫(xiě)和霧化制膜，被視為下一代的噴墨打印技術(shù)。

Shin等[16]利用靜電紡絲中自對(duì)準(zhǔn)納米射流在三維表面上進(jìn)行高分辨率、無(wú)掩模打印功能納米纖維的方法，可以在各種三維幾何表面上精確印刷。圖3(a)展示了他們自對(duì)準(zhǔn)納米射流打印過(guò)程和用印刷的納米纖維作為三維表面上掩模進(jìn)行石墨烯圖案化制造。該三維自對(duì)準(zhǔn)納米射流靜電紡絲工藝能很好地應(yīng)用于任意曲面的共形天線制造。圖3(b)[17]展示了Subbaraman等噴墨打印制造的相控陣天線，其中，天線元件和場(chǎng)效應(yīng)晶體管等均利用噴墨印刷制成，同時(shí)可借助層壓和通孔實(shí)現(xiàn)多層互連，打印出的天線的設(shè)計(jì)工作頻率為5 GHz，用于由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)格倫研究中心贊助的火星通信。Li等[18]通過(guò)液滴擴(kuò)散模型開(kāi)發(fā)了一種基于陣列噴嘴的共形平面印刷技術(shù)，圖3(c)展示了實(shí)際打印制造的共形天線。該技術(shù)可以在非可展曲面上制備導(dǎo)電圖案，與采用單噴嘴的打印技術(shù)相比，極大地提高了打印的效率和精度，通過(guò)回波損耗的仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出的印刷方法的有效性和可行性。董必?fù)P[19]利用自主研制的電噴印設(shè)備及電噴印軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了任意曲面任意圖案的自動(dòng)化打印，利用電噴印工藝制備了曲面天線。

圖3 噴墨打印制作共形天線Fig.3 Conformal antenna made by inkjet printing

氣溶膠噴印是另一種材料沉積的技術(shù)，它使用氣霧化液滴的氣動(dòng)聚焦將材料精確地沉積到基材上，即首先將功能性液體霧化成直徑為2～5 μm 的液滴氣霧云，霧化的液滴被氣流夾帶并輸送到打印頭，與此同時(shí)流動(dòng)的鞘氣將液滴聚焦到直徑為10～100 μm的射流并噴射沉積到基材上。噴嘴的實(shí)際運(yùn)動(dòng)是通過(guò)多軸CNC (Computer Numerical Control)編程控制的。油墨圖案一旦沉積，就會(huì)經(jīng)歷某種形式的后處理，包括烘烤、燒結(jié)或紫外線固化。氣溶膠噴印的材料種類繁多、分辨率高、打印速度快且支持多種材料混合打印。氣溶膠打印技術(shù)不僅可以直接沉積金屬納米粒子墨水，還能沉積種子層并輔以化學(xué)鍍實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)制造，可兼容的打印材料較為豐富，例如CNTs墨水、聚合物、粘合劑、陶瓷和生物活性物質(zhì)，包括硅、聚酰亞胺、玻璃、氧化鋁等。

圖4(a)利用氣溶膠噴印的方式，在平面和3D表面(例如飛機(jī)機(jī)翼或機(jī)身之間形成銳角的正交表面)上直接印刷共形傳感器和天線[20]，應(yīng)變儀傳感器和嵌入式電路的共形電子系統(tǒng)也可直接印在機(jī)翼上；共形傳感器和監(jiān)視系統(tǒng)可以監(jiān)視因缺少曲面?zhèn)鞲衅骰螂娐范鵁o(wú)法測(cè)量的結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)。圖4(b)展示了通過(guò)使用銀納米墨水在19 mm陶瓷立方體的5個(gè)側(cè)面上打印的20 mm寬的導(dǎo)線，從而可創(chuàng)建多種三維傳感器結(jié)構(gòu)[20]。圖4(c)[21]為Paulsen等利用氣溶膠噴印在無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)上印刷的電路、傳感器和天線，除此之外，在剛性圓柱表面上也成功制備了工作性能良好的相控陣天線，如圖4(d) 所示；Langford和Shina[22]利用氣溶膠噴印制備包含結(jié)構(gòu)、電介質(zhì)、電阻器和導(dǎo)體材料的偶極天線陣列，它們?nèi)考稍谝黄鹨孕纬傻统杀镜纳漕l(RF)系統(tǒng)。氣溶膠噴印技術(shù)可以在不同形貌的表面上構(gòu)建性能良好的結(jié)構(gòu)與器件，但若想成為實(shí)用化技術(shù)，仍需突破一些瓶頸問(wèn)題，如氣溶膠打印效果受到基底表面平整度和后處理過(guò)程的影響，迄今為止鮮有報(bào)道可緩解氣溶膠噴印中咖啡環(huán)效應(yīng)的措施。

圖4 氣溶膠工藝制作共形天線Fig.4 Conformal antenna made by aerosol-jet-printing

1.2 轉(zhuǎn)印制造技術(shù)

鑒于曲面微納結(jié)構(gòu)直接成形技術(shù)匱乏，目前科研人員多采用轉(zhuǎn)印(Transfer Printing)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)曲面電子、柔性電子的曲面制備[23]，用以實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)能以大規(guī)模平行的方式在異質(zhì)基體間轉(zhuǎn)移[24]。轉(zhuǎn)印技術(shù)是利用施主基體完成導(dǎo)電薄膜(功能單元)的制作，借助柔性轉(zhuǎn)印圖章將功能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基板，具有工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在柔性、共形透明天線集成方面具有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)貼合面之間結(jié)合與剝離的不同控制策略，轉(zhuǎn)印技術(shù)可分為：速率控制法、微結(jié)構(gòu)法、表面改性法、犧牲層法、吸附法、水轉(zhuǎn)印法等。

速率控制法常采用的柔性印章材料聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)為黏彈性聚合物，基于薄膜與柔性印章貼合面之間的能量釋放率與貼合面之間剝離速率的相關(guān)性，Ahn等[25]設(shè)計(jì)了基于速率控制的轉(zhuǎn)印方式，他們發(fā)現(xiàn)剝離速率越快，能量釋放率越大。微結(jié)構(gòu)法是指將柔性印章設(shè)計(jì)為具有特殊單元排布組成的微結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)在不同階段施加不同的外載荷，達(dá)到使功能單元轉(zhuǎn)移的效果。表面改性法是指通過(guò)表面雜化、激光誘導(dǎo)、紫外線照射、加熱、等離子體處理等方式對(duì)施主基體、目標(biāo)基體或其他實(shí)體進(jìn)行表面改性[26]，使其達(dá)到更好的轉(zhuǎn)印效果。吸附法是指利用真空或靜電等方式制作吸盤，并借助機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性功能膜的拾取及貼合釋放。楊思慧[27]提出了基于密集伸縮銷、共形吸盤、點(diǎn)插值的轉(zhuǎn)印方案，利用真空或靜電吸附手段，實(shí)現(xiàn)柔性薄膜的曲面共形轉(zhuǎn)印。水轉(zhuǎn)印法是指將水溶性施主基體同功能單元浸入水中，借助溶解效應(yīng)將功能單元浮于水表面，并轉(zhuǎn)移至受主基體以實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)制造，常用施主基體為熱敏塑料基體(如PVA)[28-29]。

近年來(lái)，利用轉(zhuǎn)印工藝制作共形天線已有不少實(shí)質(zhì)性探索，Saada等[28]通過(guò)水轉(zhuǎn)印工藝在曲面上制作了近場(chǎng)通信(Near Field Communication，NFC)共形天線，將銀納米顆粒油墨噴墨印刷在水溶性聚乙烯醇薄膜上，通過(guò)將印刷的圖案暴露于鹽酸煙霧中來(lái)實(shí)現(xiàn)室溫下的固化，得到如圖5(a)[28]所示的12圈NFC 13.56 MHz天線，并成功與智能手機(jī)配對(duì)，該天線電阻率是銀的17.1倍， 線寬為250 μm，因轉(zhuǎn)印圖案兩面均導(dǎo)電而可以逐層重疊進(jìn)行水轉(zhuǎn)印制備多層電路結(jié)構(gòu)。Wu等[30]利用Mini 2S/8轉(zhuǎn)印機(jī)在半球形塑料襯底上制作了共形螺旋天線，當(dāng)設(shè)定合適的速度(3～5 cm/s)和壓力后，硅橡膠印章(直徑11 cm，高度8 cm)自動(dòng)將導(dǎo)電復(fù)合材料從二維天線轉(zhuǎn)移到半球基板上。在150 ℃下固化15 min后，便可得到共形螺旋天線，其輻射效率為56%，如圖5(b)所示[30]。Kim等[31]利用水轉(zhuǎn)印技術(shù)，采用銀納米線制作了透明射頻共形天線，將銀納米線網(wǎng)絡(luò)制備在陽(yáng)極氧化鋁薄膜上并借助水進(jìn)行分離，然后進(jìn)行壓縮來(lái)獲得波浪狀銀納米線，將壓縮的納米線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到彈性PDMS基板上制備得到如圖5(c)[31]所示的柔性RF天線，所得天線具有低電阻、良好的光學(xué)透明特性和變形測(cè)試中的性能穩(wěn)定性。此外他們通過(guò)結(jié)合轉(zhuǎn)印與光刻技術(shù)制作了二維蛇形圖案網(wǎng)絡(luò)的可拉伸偶極天線和貼片天線，即將涂有PDMS的硅片作為臨時(shí)基板制作銅圖案，利用水溶性膠帶作為印章實(shí)現(xiàn)柔性可拉伸天線結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)印集成，并仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可拉伸天線的電磁特性，如圖5(d)所示[32]。

圖5 轉(zhuǎn)印工藝制作共形天線Fig.5 Conformal antenna made by transfer printing process

1.3 其他制造技術(shù)

除了上述提到的打印、轉(zhuǎn)印工藝之外，可用于共形天線制備的工藝還包括微流控技術(shù)、全息光刻技術(shù)、激光直寫(xiě)成型技術(shù)以及絲網(wǎng)印刷等。

圖6(a)展示了Purvis等[33]利用全息掩膜在22 mm高的圓錐體表面制備出線寬約為66 μm的螺旋線型金屬導(dǎo)線，區(qū)別于傳統(tǒng)光刻技術(shù)，全息光刻無(wú)需復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)以及傳統(tǒng)光學(xué)掩膜版，并且在非平面基底進(jìn)行圖案化時(shí)可有效消除衍射線展寬，在共形天線制造中受到廣泛的關(guān)注。微流控技術(shù)通過(guò)構(gòu)建低維溝道結(jié)構(gòu)，精確控制微尺度流體在通道中以一定方式流動(dòng)，Jobs等[34]提出一種利用微流控技術(shù)制備三維小型天線的方法，在黏彈性基底PDMS上搭建微流道并填充液態(tài)金屬，再利用充氣成型得到半球形共形天線，其原理如圖6(b)所示。Huang等[35]利用液態(tài)金屬制作了一種可拉伸、機(jī)械可調(diào)的柔性微流體天線，該天線在高達(dá)50%的拉伸應(yīng)變下諧振頻率和電磁性能仍保持穩(wěn)定，如圖6(c)所示。絲網(wǎng)印刷技術(shù)利用網(wǎng)版和印料，經(jīng)刮印得到天線圖案。胡建強(qiáng)等[36]利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將導(dǎo)電銀漿油墨印刷到聚酰亞胺薄膜基體上形成天線輻射層，經(jīng)過(guò)高溫處理后再經(jīng)過(guò)常溫冷卻得到共形天線如圖6(d)所示。激光加工直接通過(guò)激光照射將各種結(jié)構(gòu)直接數(shù)字化地制造到曲線表面上，功能結(jié)構(gòu)的所有特征尺寸都能借助計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行調(diào)整[37]，由于激光直接成形技術(shù)步驟少，加工過(guò)程中不確定性因素較少、精確性更高。Yang等[38]利用鋁酸銅作為活化填料，用激光輻照涂覆在有機(jī)基底上的鋁酸銅，通過(guò)化學(xué)鍍形成金屬圖案，如圖6(e)所示。

圖6 其他制作工藝Fig.6 Other fabrication process

新型工藝不同于傳統(tǒng)工藝中的剪裁、貼附等，拓寬了共形天線的制造方式，為制造飛行器大曲率共形天線結(jié)構(gòu)提供了可能。1.2節(jié)中提到的工藝部分采用在平面柔性基底上加工的形式，將柔性天線共形貼附于曲面基底，對(duì)于大曲率基底，貼附柔性天線會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的褶皺等缺陷，打印技術(shù)可直接在基底表面進(jìn)行高精度加工，對(duì)于一些特殊軍事飛行器，如彈載小型化超寬帶天線、透明網(wǎng)格高精度天線等提供了很好的技術(shù)支持。打印、轉(zhuǎn)印以及其他技術(shù)工藝的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)見(jiàn)表1[11-28，31，33-37]。

表1 共形天線制造工藝比較Table 1 Pros and cons of different fabrication techniques

2 飛行器共形天線應(yīng)用

隨著航空航天領(lǐng)域飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等各種飛行器技術(shù)的迅猛發(fā)展，以天線為代表的搭載無(wú)線通訊設(shè)備的集成要求不斷提高。單個(gè)飛行器上的天線種類通常可高達(dá)幾十種，由于安裝體積受限，絕大多數(shù)天線只能安放在機(jī)身外部，配合天線罩一同使用。然而，剛性非共形天線凸出的結(jié)構(gòu)會(huì)影響戰(zhàn)機(jī)的氣動(dòng)性能，過(guò)大的雷達(dá)散射截面也不利于飛行器隱身[39]。共形天線可與飛行器表面通過(guò)間接的方式無(wú)縫貼合在一起，或以飛行器表面作為基底，通過(guò)打印等方式直接將天線制作于表面。與普通平面天線相比，共形天線具有低剖面、安裝位置靈活、天線孔徑大等優(yōu)勢(shì)，在先進(jìn)飛行器應(yīng)用方面有很大優(yōu)勢(shì)。

2.1 氣動(dòng)隱身一體化天線

軍事作戰(zhàn)飛機(jī)指直接作為武器平臺(tái)實(shí)施發(fā)射或者投放的軍用飛機(jī)[40]。隨著軍事作戰(zhàn)機(jī)在無(wú)線通訊方面的需求日益增長(zhǎng)，需要飛行器在任意飛行方向或者任意俯仰角內(nèi)都能夠收到地面控制站傳來(lái)的信息[41]。傳統(tǒng)飛行器天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在飛行器設(shè)備占據(jù)的空間較大，布置在飛行器外部的天線不可避免地加劇了機(jī)體的載荷和氣動(dòng)阻力，同時(shí)帶來(lái)額外的雷達(dá)信號(hào)反射源，破壞了戰(zhàn)機(jī)的隱身性[42-43]。為了有效利用機(jī)體內(nèi)部空間，減小飛行過(guò)程中的空氣阻力，機(jī)載共形天線要求具有低剖面、小型化、可集成于機(jī)體表面等特點(diǎn)。

為了滿足作戰(zhàn)飛行器的氣動(dòng)性需求，針對(duì)作戰(zhàn)飛行器共形天線的小型化、低剖面等特點(diǎn)，王開(kāi)華等[44]設(shè)計(jì)了一款寬波束低剖面無(wú)人機(jī)共形天線，采用新型L型單極子結(jié)構(gòu)的微帶天線，能夠?qū)崿F(xiàn)水平面的全向輻射，垂直面內(nèi)的3 dBi波束寬度達(dá)197°。Patrovsky和Sekora[45]設(shè)計(jì)了一款可應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的低剖面環(huán)形縫隙天線，盡可能地減小天線結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)體氣動(dòng)性能的影響。Jaeck等[46]結(jié)合激光直寫(xiě)成型技術(shù)或噴墨打印工藝制作了一種圓錐形低剖面3D陣列天線，每個(gè)天線單元的工作頻率為5.2 GHz，天線陣的重量小于300 g，如圖7(a)～圖7(c)所示。Zhou等[47]設(shè)計(jì)了一種新型有源蒙皮天線結(jié)構(gòu)，能夠應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)飛機(jī)、軍艦等結(jié)構(gòu)表面。采用3D打印技術(shù)制作陣列天線框架，通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作了32個(gè)微帶天線陣單元，利用傳統(tǒng)工藝將封裝層、天線、RF組件等復(fù)合在一起形成蒙皮天線，新型工藝結(jié)合傳統(tǒng)工藝能夠簡(jiǎn)化復(fù)雜共形天線的制作過(guò)程并降低制作成本，見(jiàn)圖7(d)。該共形天線陣的工作頻率為5.8 GHz，最大增益約為21.2 dBi。

為了提高己方戰(zhàn)機(jī)的生存能力和戰(zhàn)斗能力，需要增強(qiáng)飛行器隱身能力，關(guān)鍵在于降低雷達(dá)散射截面積，即通過(guò)改變機(jī)身外形或借助吸波材料來(lái)縮減探測(cè)目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波的散射。在共形天線中引入超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)超材料單元反射相位的控制，能夠使得反射波相互抵消，在降低RCS方面具有重要意義。Zhang等[48]將人造磁導(dǎo)體與電磁帶隙超材料結(jié)構(gòu)結(jié)合，使得該材料的部分反射波與其他金屬的反射波相互抵消，實(shí)現(xiàn)天線部分的RCS縮減。2014年4月，英國(guó)BAE公司和倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種可應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的超材料平面天線透鏡，該天線可嵌入至飛機(jī)蒙皮，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)與機(jī)身共形，有助于推動(dòng)天線的小型化發(fā)展趨勢(shì)。該天線利用超材料的特性控制電磁波，大大拓寬傳統(tǒng)材料應(yīng)用于天線的寬帶限制，不需要使用大型反射器或者曲面透鏡，與傳統(tǒng)共形天線具有相似效果。據(jù)NASA報(bào)道，F(xiàn)-18大黃蜂的機(jī)尾通過(guò)改進(jìn)變身為機(jī)載通信天線合成孔徑雷達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)超材料智能蒙皮的共形設(shè)計(jì)。在機(jī)載智能蒙皮中，應(yīng)用超材料技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁場(chǎng)的任意響應(yīng)，極大地縮減天線尺寸，實(shí)現(xiàn)寬頻天線的共形，極大地提高飛機(jī)的隱身性能、氣動(dòng)性能等。

2.2 超寬帶窄波束天線

隨著導(dǎo)彈技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)于安裝在導(dǎo)彈上天線的功能結(jié)構(gòu)等方面的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的天線由于其結(jié)構(gòu)的限制對(duì)導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中有著不可忽略的影響，因此亟待將天線共形地集成到彈體表殼中。彈體表殼中的空間是有限的，若天線的帶寬足夠?qū)?，則可以將多個(gè)天線的功能集成到同一個(gè)天線里完成。為了更好地實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的功能，對(duì)于共形天線的超寬帶方面提出了更為迫切的需求。賀友龍等[49]設(shè)計(jì)了一種超寬帶彈載共形天線，采用對(duì)數(shù)槽線天線的形式, 如圖8所示，天線面是由柔性印制板制成，厚度約0.5 mm， 天線面安裝在吸收腔的外側(cè)，其使用柔性印制板可以保證與吸收腔共形貼在一起。金屬背腔是銑削而成的，材料使用鋁材，形狀為圓柱形，這樣制作能夠保證天線能夠共形安裝于彈體表面上。然后將7個(gè)天線均勻地安裝在圓周彈體表面，實(shí)現(xiàn)天線的全向覆蓋。李得東[50]設(shè)計(jì)制造了一款小型化超寬帶共形天線，可以應(yīng)用在導(dǎo)彈曲面基底上，通過(guò)仿真確定了共形至最大長(zhǎng)度210 mm、寬度185 mm、厚度20 mm的流線型翼端結(jié)構(gòu)，其制造工藝是通過(guò)激光工藝將對(duì)數(shù)周期天線振子共形印刷至流線型介質(zhì)板上，介質(zhì)板采用的是聚苯醚(PPO)材料。其設(shè)計(jì)的超寬帶天線增益能達(dá)到水平面及俯仰面前向±45°，不小于-5 dBi[49-50]。Mohamadzade等[51]提出了一種具有單極輻射方向圖的簡(jiǎn)單超寬帶共形天線制造方法，天線的制造是從底部到頂部逐層制造完成的，2種不同的導(dǎo)電織物被用于天線的接插和接地部分，具有較高電導(dǎo)率的導(dǎo)電織物鎳-銅-銀涂層尼龍防撕裂材料被用作天線的貼片，具有較低電導(dǎo)率的導(dǎo)電織物鎳-銅-銀涂層尼龍防撕裂材料被用于接地，整體在側(cè)面和高度上都很緊湊，所有天線部件(包括輻射器和接地層)均嵌入PDMS內(nèi)，能夠抵抗惡劣的環(huán)境。天線在2.85～8.6 GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了10 dB的回波損耗帶寬，在整個(gè)頻帶內(nèi)都保持單極輻射圖。

圖8 超寬帶彈載共形天線[49]Fig.8 Ultra-wideband missile-borne conformal antenna[49]

當(dāng)前制造彈載共形天線大多采用傳統(tǒng)機(jī)械加工的方式，新型工藝如打印能夠制造高精度圖案，這在導(dǎo)引頭復(fù)合制導(dǎo)模式中有很大應(yīng)用前景。為了抑制不同制導(dǎo)裝置間的信號(hào)干擾，降低導(dǎo)引頭的散射截面積，同時(shí)兼顧其空氣動(dòng)力學(xué)的性能，可在導(dǎo)引頭表面安裝透明共形天線，內(nèi)部空間留給其他傳感器。導(dǎo)引頭共形天線可以減小彈體體積及重量，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的快速準(zhǔn)確跟蹤，還可以提高抗干擾性和隱身性能，提高導(dǎo)彈的生存能力。為了進(jìn)一步充分利用內(nèi)部空間，當(dāng)前研究漸漸轉(zhuǎn)向了在光學(xué)儀器等表面制作透明共形天線，在不影響各元件的工作情況下實(shí)現(xiàn)通信功能。目前的研究主要是通過(guò)在柔性基底上制作透明天線共形于曲面基底上，如何在大曲率不可展曲面上直接制作共形透明天線是當(dāng)下存在的一大難題。曲面電流體噴印技術(shù)可制作曲面高精度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，結(jié)合濕法刻蝕工藝能夠制作高性能透明共形天線，可用于軍事航天通信天線應(yīng)用。

2.3 大面積可展開(kāi)、可重構(gòu)天線

衛(wèi)星通訊與其他通訊方式相比，不受地理?xiàng)l件的限制，通訊頻帶寬，性能穩(wěn)定[52]。星載天線是衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件，當(dāng)前隨著信息組網(wǎng)面向地空天一體化的多維度發(fā)展，為滿足星載天線多功能、多波段、大功率等發(fā)展需要，大口徑、高精度天線的研究必不可少。柔性大面積可展開(kāi)天線便為實(shí)現(xiàn)該目的提供了有效途徑[53-54]，衛(wèi)星發(fā)射之前將天線收縮，發(fā)射至軌道后展開(kāi)，可大大節(jié)約天線所占空間，有效保護(hù)天線在發(fā)射過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前使用的大型星載可展開(kāi)天線多為網(wǎng)格可展開(kāi)天線，按支撐結(jié)構(gòu)不同可分為傘狀和桁架式可展開(kāi)天線，該種天線反射面采用拼接方式組裝成的柔性網(wǎng)面設(shè)計(jì)，其質(zhì)量較輕，但由于受到柔性網(wǎng)面設(shè)計(jì)制造精度及連接點(diǎn)受力狀況的影響，提高反射面精度、展開(kāi)可靠性的難度較大。

基于肋板支撐的可展開(kāi)網(wǎng)格天線研究相對(duì)較早，如嫦娥四號(hào)中繼星傘狀天線[55]、旋轉(zhuǎn)釋放天線結(jié)構(gòu)[56]，如圖9(a)～圖9(b)所示，其重量較輕，但展開(kāi)可靠性受到復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的影響。薄膜可展開(kāi)天線是近年來(lái)新提出的可展開(kāi)天線形式，具有共形精度高、質(zhì)量更輕、收縮比大、易于展開(kāi)等諸多優(yōu)點(diǎn)，然而薄膜天線的大口徑設(shè)計(jì)仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。形狀記憶聚合物(Shape Memory Polymer，SMP) 作為一種具有高可靠性和高精度的材料被應(yīng)用于充氣柔性可展開(kāi)共形天線，此類天線一般通過(guò)將薄膜天線與基板面膠合形成空腔，通過(guò)泵入氣體實(shí)現(xiàn)展開(kāi)。

圖9 桁架式可展開(kāi)天線Fig.9 Schematic diagram of grid deployable antenna

圖10(a)[57]展示了由NASA蘭利研究中心設(shè)計(jì)的基于SMP的充氣式可展開(kāi)天線。Babuscia等[58]設(shè)計(jì)了一種錐形充氣式天線，如圖10(b)所示。該天線直徑為1 m，在2.4 GHz下圓錐形天線的增益約為16 dB，具有較好的性能。充氣式可展開(kāi)天線具有存儲(chǔ)體積小、重量輕的顯著優(yōu)點(diǎn)，但由于軌道上氣體緩慢泄漏而需要?dú)怏w補(bǔ)充系統(tǒng)，導(dǎo)致使用壽命縮短，而且充氣天線很難在空間中的交變溫度下保持所需的表面精度[56]。

圖10 薄膜充氣可展開(kāi)天線Fig.10 Thin film inflatable deployable antenna

可重構(gòu)天線是利用一個(gè)天線或天線陣列，通過(guò)改變其物理結(jié)構(gòu)或自身形狀，使其具有多個(gè)工作狀態(tài)和工作模式，能夠適用于高頻衛(wèi)星通訊、電子對(duì)抗、飛行器智能隱身蒙皮等多種領(lǐng)域[59]?？芍貥?gòu)天線的形式主要包括方向圖可重構(gòu)天線、頻率可重構(gòu)天線、極化可重構(gòu)天線、混合可重構(gòu)天線等。Niroo-Jazi和Denidni等[60]設(shè)計(jì)了基于有源共形頻率選擇表面(Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS)的方向圖可重構(gòu)天線，如圖11(a)所示。該天線工作頻率為2.45 GHz，共形于圓柱表面，將偶極子饋源放在圓柱形FSS結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其單元由非連續(xù)橢圓環(huán)與集成表面貼裝PIN 二極管的短陣子組成，之后再將其彎曲成圓柱狀，通過(guò)控制各列FSS單元的反射、透射特性可以在低增益全向和中等增益定向之間實(shí)現(xiàn)方向圖重構(gòu)。圖11(b)為Saraswat和Harish[61]設(shè)計(jì)的一種離散頻率可重構(gòu)的柔性雙頻雙極化共面波導(dǎo)(CPW)饋電單極子天線，將天線制作在柔性透明基板上以實(shí)現(xiàn)共形，并通過(guò)在CPW饋電單極天線中并入一個(gè)U形槽以實(shí)現(xiàn)雙頻特性，憑借所集成的PIN二極管，天線可以在更高頻段實(shí)現(xiàn)離散頻段的可重構(gòu)性[62]。

就目前技術(shù)現(xiàn)狀而言，多信息多傳感器融合的導(dǎo)航技術(shù)更有希望完美解決掘進(jìn)機(jī)的導(dǎo)航定位問(wèn)題，如慣性導(dǎo)航技術(shù)與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)組合或其他方式的多信息多傳感融合技術(shù)等[14,17-20]。

圖11 可重構(gòu)天線Fig.11 Reconfigurable antenna

2.4 柔性共形天線

柔性共形天線作為無(wú)線通訊技術(shù)的重要組成部分，由于使用環(huán)境表面存在頻繁的動(dòng)態(tài)變化，要求天線應(yīng)具有多種工作模式，可以隨之切換不同的狀態(tài)。隨著以碳納米管、導(dǎo)電薄膜、導(dǎo)電碳纖維、石墨烯為代表的導(dǎo)電新材料的出現(xiàn)[63]，天線導(dǎo)體選擇上不再受限于金屬材料，使得柔性天線的制備向著更輕量、更柔性、更耐受的方向發(fā)展。新型工藝如噴墨打印工藝、轉(zhuǎn)印工藝等將天線制備從二維平面拓展到了三維曲面，更適應(yīng)柔性共形天線在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

飛艇能部署平流層平臺(tái)系統(tǒng)[64]，組建起大面積覆蓋的多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，相比衛(wèi)星有著更低的海拔，很好地提供了地面和衛(wèi)星通信域之間的集成，并能隨時(shí)降落維護(hù)。共形天線能與飛艇外表面共形貼合，減少天線安裝對(duì)飛艇氣動(dòng)布局的影響，并減小天線所占空間，且具有更大的掃描角度、更高效一體化集成等性能優(yōu)點(diǎn)，提高雷達(dá)的探測(cè)距離。圖12(a)展示了平流層浮空平臺(tái)的主要組成部分，其天線陣面安裝于飛艇底部鼓出的“彈丸”結(jié)構(gòu)上[65]。圖12(b)展示了帶有螺旋天線陣列的飛艇的另一種共形天線安裝方式[66]。螺旋天線適用于許多需要大帶寬和圓極化的應(yīng)用場(chǎng)景，能夠較好地與飛艇的曲表面共形。該天線可以在800～1 200 MHz范圍內(nèi)工作，單元采用直徑 12.5 cm 的雙臂自補(bǔ)型阿基米德螺旋天線，安放在介質(zhì)基板上共形于飛艇表面。Chaney等[67]在飛行器表面搭建混合柔性電子系統(tǒng)，通過(guò)將天線與傳感器、IC(Integrated Circuit)組件集成到一個(gè)系統(tǒng)，組成共形承載天線結(jié)構(gòu)，取代天線組件與飛行器結(jié)構(gòu)分離的局面，利用噴墨打印工藝在柔性基底上打印天線及連接電子元件的導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)多功能系統(tǒng)耦合。柔性混合電子技術(shù)將印刷電子工藝與柔性集成電路組合，在提供高性能大面積柔性傳感系統(tǒng)的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了低能耗、輕量的目標(biāo)，有望在飛行器以及其他航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。

圖12 柔性共形天線應(yīng)用Fig.12 Application of flexible conformal antenna

3 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

共形天線技術(shù)近些年來(lái)快速發(fā)展，在軍民兩用領(lǐng)域擁有著廣闊的發(fā)展空間，飛機(jī)、飛艇、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、火箭等平臺(tái)均向著優(yōu)化天線設(shè)計(jì)、共形集成方面推進(jìn)。目前對(duì)于共形天線的理論分析還不完善，需要依據(jù)一定的經(jīng)驗(yàn)，制造工藝及材料技術(shù)并不是十分成熟，進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用還需要大量的實(shí)驗(yàn)。以下總結(jié)了當(dāng)前共形天線應(yīng)用存在的問(wèn)題，主要分為共形天線設(shè)計(jì)和工藝及材料2個(gè)部分。

3.1 共形天線設(shè)計(jì)

共形天線不同于平面天線，所處的周圍環(huán)境如金屬結(jié)構(gòu)、介質(zhì)環(huán)境等情況較為復(fù)雜。共形天線陣的綜合包括陣元數(shù)目、陣元位置、饋電相位等。通常根據(jù)目標(biāo)載體確定平面天線陣的間距，使得陣列的輻射特性滿足要求，諸如增益、輻射方向、主瓣寬度等。對(duì)于曲面復(fù)雜載體，共形陣的波束形成分析比平面陣復(fù)雜很多，平面陣的陣列參數(shù)分析方法不再適用，因?yàn)殛囋赶蚋鳟?，不再滿足方向圖相乘原理[68]。此外，還需考慮每個(gè)陣元的極化方向，對(duì)于一個(gè)方向較大的交叉極化又會(huì)產(chǎn)生較大的極化損失[69]。天線陣元的綜合可采用交錯(cuò)投影法、口徑投影法、傅里葉法等，但其中每種算法都有一定的局限性，依賴于特定目標(biāo)、經(jīng)驗(yàn)等[70]，且軟件的計(jì)算負(fù)載大，耗時(shí)長(zhǎng)?；陔姵叽鐏?lái)分析，共形天線屬于電小尺寸，載體屬于電大尺寸，這給天線的電磁分析也帶來(lái)了一定難度。分析復(fù)雜載體結(jié)構(gòu)表面的共形天線可以采用有限元法[71]、自適應(yīng)積分法[72]、體面積分方程[73]等方法。對(duì)于共形天線陣來(lái)說(shuō)，天線陣元之間的間距過(guò)小時(shí)，天線陣元的耦合問(wèn)題嚴(yán)重。天線陣元之間較大的耦合成度會(huì)降低天線特性，天線的增益、主瓣寬度等都會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于飛行器來(lái)講，耦合甚至?xí)?dǎo)致天線出現(xiàn)掃描盲區(qū)。因此，共形天線陣元的耦合抑制對(duì)天線性能十分重要[65, 74]。

3.2 工藝及材料

根據(jù)天線性能需求來(lái)選擇合適的工藝，對(duì)于制作高性能飛行器天線具有重大的意義。當(dāng)前共形天線的制造工藝仍存在一些局限性。與傳統(tǒng)制造工藝相比，打印能夠制造精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量輕便的圖案結(jié)構(gòu)，但存在以下問(wèn)題：① 效率不高，打印速度受到基底外形不規(guī)則程度、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)算法的影響；② 打印均勻性影響天線性能，材料噴射的打印方式由于出墨量較少，基底的表面光潔度會(huì)對(duì)打印效果(如導(dǎo)電性和絕緣性等)造成影響，為了得到穩(wěn)定可靠的天線薄膜通常需要打印多層材料，成膜的均勻性將直接影響到天線的隱身性能；③ 打印材料的種類受到一定限制，飛行器長(zhǎng)時(shí)間處于惡劣的工作環(huán)境中，需要導(dǎo)電性、穩(wěn)定性高的材料，導(dǎo)電聚合物溶液、金屬墨水可作為打印墨水，但其導(dǎo)電性不如金屬薄膜高，金屬材料銅、銀等擁有優(yōu)良的導(dǎo)電性，但其抗氧化、抗腐蝕技術(shù)還需進(jìn)一步研究。當(dāng)前共形天線打印制造領(lǐng)域亟需開(kāi)發(fā)高導(dǎo)電性、耐腐蝕的表面涂層技術(shù)。Liu等[75]利用曲面電流體光刻技術(shù)，在鍍有金膜的曲面結(jié)構(gòu)上打印光刻膠，并進(jìn)行圖案化刻蝕，為大面積曲面微納圖案結(jié)構(gòu)的高效制造提供了新的思路。Peng等[76]發(fā)現(xiàn)經(jīng)甲酸鈉溶液水熱處理的銅箔整體抗氧化性能提升3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，有望解決銅基共形天線的抗氧化、抗腐蝕能力弱的缺陷。

轉(zhuǎn)印技術(shù)通過(guò)轉(zhuǎn)印圖章將材料從源基體轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基體上，可實(shí)現(xiàn)大面積結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移。微納功能結(jié)構(gòu)先在施主基體表面制備，可以避免制造工藝過(guò)程對(duì)目標(biāo)基體的材料限制及損傷。當(dāng)前轉(zhuǎn)印工藝主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：① 精度不高，針對(duì)共形天線的轉(zhuǎn)印技術(shù)分辨率處于微米級(jí)，有待進(jìn)一步解決納米級(jí)轉(zhuǎn)印技術(shù)難題[77]；② 功能材料與圖章、基體無(wú)法有效分層，甚至破壞，在轉(zhuǎn)移過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)使功能材料與施主基體容易分離，在沉積過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)使功能材料與印章容易剝離，涉及到界面剝離競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。當(dāng)前主要的解決方法是通過(guò)表面修飾，改變界面的黏附力來(lái)提高轉(zhuǎn)印效率[78-79]。此外，激光加工對(duì)于承載電路圖案的基底材料有耐受高溫和活化的要求，限制了可選用的材料范圍[37]，而當(dāng)激光用于燒蝕時(shí)工藝過(guò)程較慢[80]。微流道工藝在批量生產(chǎn)過(guò)程中具有一定優(yōu)勢(shì)，但需制作模板，不適合小批量的快速加工[81]。全息光刻技術(shù)受限于基底形貌，工藝靈活性差、周期長(zhǎng)，成型圖案的精度和分辨率也較低[82]。

對(duì)于導(dǎo)彈、火箭等載體來(lái)說(shuō)，共形天線還需要滿足飛行過(guò)程中的耐高溫、環(huán)境耐受性、雷電防護(hù)性等，當(dāng)天線載體為飛行器外表面時(shí)，由于受到外界惡劣環(huán)境的影響及自身的振動(dòng)，共形天線表面會(huì)發(fā)生變形，從而對(duì)天線的性能造成極大影響。為了確保天線能夠正常工作，需要對(duì)天線的幅相位差進(jìn)行校正，目前國(guó)內(nèi)外使用打印、轉(zhuǎn)印等工藝制造的共形天線還處于研究階段，尚未對(duì)惡劣環(huán)境下的天線穩(wěn)定性做出評(píng)估，關(guān)于由振動(dòng)變形產(chǎn)生的影響和矯正方法的工作還未進(jìn)行充分的深入研究[86]。

4 總結(jié)與展望

發(fā)展共形天線技術(shù)是未來(lái)先進(jìn)飛行器的重要發(fā)展方向，是解決傳統(tǒng)平面天線缺陷的重要途徑。從各國(guó)的飛行器研究趨勢(shì)來(lái)看，共形天線主要朝著低剖面、小型化、超寬帶等方向發(fā)展。目前打印、轉(zhuǎn)印等技術(shù)作為新興產(chǎn)業(yè)，能夠滿足天線低成本、高精度的共形制造，實(shí)現(xiàn)軍事航空設(shè)備的氣動(dòng)性、隱身性、小型化需求等，但是新型工藝在共形天線的制作效率、材料選擇上有一定限制，且未充分驗(yàn)證共形天線的可靠性，如高溫耐受性、機(jī)械強(qiáng)度等。也有部分學(xué)者致力于新材料的開(kāi)發(fā)，如超材料、石墨烯等，研究這些材料能夠拓寬共形天線的應(yīng)用場(chǎng)景，提高天線綜合性能等。

未來(lái)共形天線在飛行器領(lǐng)域應(yīng)用總結(jié)如下：

1) 對(duì)于無(wú)人機(jī)、預(yù)警機(jī)等來(lái)說(shuō)，機(jī)載共形天線能夠大幅度降低天線結(jié)構(gòu)對(duì)飛行器氣動(dòng)性和隱身性的影響，提高飛行器作戰(zhàn)能力。

2) 從相關(guān)國(guó)家關(guān)于導(dǎo)彈上天線的研究方向來(lái)看，小型化、低剖面、超寬帶的共形天線已經(jīng)成為彈載天線的發(fā)展趨勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的小型化、智能化以及隱身需求方面有著非常廣泛的應(yīng)用。

3) 星載天線作為衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其展開(kāi)面積、展開(kāi)精度、展開(kāi)穩(wěn)定性等方面要求較高，為滿足日益增長(zhǎng)的通訊能力需要，同時(shí)為了降低所占空間和質(zhì)量，星載天線正向著口徑更大、精度更高、收納比更大、重量更輕、多波段共用的方向發(fā)展，在此過(guò)程中應(yīng)當(dāng)克服材料、工藝、展開(kāi)控制方式以及太空復(fù)雜環(huán)境等方面的挑戰(zhàn)。

4) 柔性共形天線具有可伸展變形、低剖面、輕量的特點(diǎn)，在浮空器、飛艇、衛(wèi)星可展開(kāi)天線上具有廣闊發(fā)展前景。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)共形天線的研究愈發(fā)深入，共形天線的波束形成分析、共形陣天線的單元調(diào)控等還需要進(jìn)一步的研究。盡管當(dāng)前共形天線理論設(shè)計(jì)方面尚未形成完整的體系，新型制造工藝還有許多難點(diǎn)，但是共形天線的優(yōu)勢(shì)相較于傳統(tǒng)平面天線十分明顯，目前已成為各國(guó)軍事航空領(lǐng)域天線研究的必然發(fā)展方向。