飞行器共形天线技术综述

许 群，王云香，刘少斌，巩亚萍

(1. 南京航空航天大学 电子信息工程学院， 南京 210016) (2. 高性能电磁窗航空科技重点实验室， 济南 250031)



·天馈伺系统·

飞行器共形天线技术综述

许 群1，2，王云香1，2，刘少斌1，巩亚萍2

(1. 南京航空航天大学 电子信息工程学院， 南京 210016) (2. 高性能电磁窗航空科技重点实验室， 济南 250031)

共形天线具有低剖面特点，有利于提高飞行器的气动性能和隐身性能，能够增大机载天线的孔径、妥善解决双模导引头天线孔径叠合的矛盾。对共形天线的需求背景、主要功能和研究内容进行了综述，对微带天线、缝隙天线、螺旋天线、共面波导天线等常用共形天线单元的特点进行了分析，归纳了共形天线在设计和制造方面的关键技术，总结了共形天线对天线罩的影响。

共形天线;天线罩；共形天线阵;双模导引头;微带天线;缝隙天线

0 引 言

天线在现代飞行器上应用十分广泛，如飞机上的通信、导航、敌我识别、电子战、雷达等设备都离不开天线。共形天线是一种特殊形式的天线，它的特殊之处就在于其形状与常规天线不同，常规天线的形状取决于天线的电性能要求，而共形天线的形状既要满足天线的电性能要求，还要兼顾飞行器的气动特性。在IEEE Std145-1993中，给出了共形天线的定义：共形天线是和物体外形保持一致的天线或天线阵[1]，这里所说的物体外形是由非电气因素决定的，例如：空气动力学因素或流体力学因素。比如：抛物面型地面卫星接收天线，它利用抛物面的凹表面作为反射面，这种天线对飞行器的气动特性有不利影响，因此，在飞行器上使用时只能安装在飞行器的内部，需要用天线罩来改善飞行器的气动性能。如果改变抛物面天线的结构形式，以凸表面作为天线口面，就可以把它装到飞行器表面了，这时的抛物面天线就成为共形天线。共形天线有助于提高飞行器的气动性能、降低RCS[2-4]，是天线领域目前研究的热点问题。

1 共形天线的需求背景

任何一项新技术的发展都离不开需求牵引，飞行器某些新的功能和性能要求，需要采用共形天线来满足，这种需求推动了共形天线的研究工作。

一架军用飞机上往往装有多种天线，通常情况下有20多种，多的达到70多种[1,5]，这些天线只有极少部分安装在机身内部，绝大多数都突出在机身外部。为了在机身内部安装天线，需要配套天线罩，天线罩要突出机身，形成鼓包。突出在机身外部的天线多为刀型天线或鞭状天线。飞机上的这些传统的天线，无论是装在飞机内部，还是装在飞机外部，都对飞机的气动特性有不利的影响，还会增大飞机的RCS，对隐身飞机来讲，这也是致命的弱点。所以，从改善飞机的气动外形和降低RCS角度出发，都希望对传统的天线加以改进，改进的方向之一就是采用共形天线。共形天线具有低剖面的特点，可以安装在飞机表面而不增加风阻。

在飞机上采用共形天线的另一个原因是为了增大天线的孔径[2,4]，该用途在预警机上体现得特别充分。为了在复杂的战场环境下探测隐身飞机等作战对象，要求预警机具有更远的探测距离、更多的工作模式、更灵活的能量管理方案和更好的抗干扰措施，这就意味着需要更大的功率孔径积。有两种方式提高功率孔径积，一是增大发射功率，二是增大天线尺寸。单纯增大发射功率，需要载机提供更多的电源，受到载机资源的制约。天线孔径在雷达收发双程起作用，因此，扩大天线孔径比提高发射功率更有利于增大天线的功率孔径积。所以，在E-2、E-3、A-50、空警2000、空警200等预警机上都有一个很大的天线和天线罩，图1是E-3A预警机的照片。但大孔径天线在载机平台上的安装会带来许多新的矛盾，机头空间有限，装在机背上又影响飞机的气动性能。因此，较好的解决办法是把天线和机身融合在一起，把天线安装在飞机蒙皮内，采用共形相控阵天线是未来机载预警雷达的一个发展趋势，以色列研制的费尔康预警机就使用了共形相控阵天线，如图2所示。

图1 E-3A预警机上的天线罩

图2 费尔康预警机采用了共形相控阵天线

对相控阵天线而言，为了克服平面相控阵天线的某些缺点，也需要采用共形天线方案[4]。平面相控阵天线的波束宽度随扫描角的变化而变化，这会导致雷达的角度分辨率与测角精度变差；天线增益随扫描角增大而降低，使得在整个观察空域里发射信号功率分配不均匀；此外，平面相控阵天线的扫描范围较窄、瞬时信号带宽有限、难以实现宽角扫描匹配。采用共形相控阵天线在一定程度上可以解决这一问题。当然，所付出的代价就是增加了共形天线的复杂程度。

在双模或者多模导引头上也需要共形天线。双/多模导引头在一个导引头内布置两种或两种以上的传感器，复合传感器主要采用共口径复合、叠合复合和口径分置复合等方案[6]，但是无论采用哪一个方案，都存在许多问题，传统天线或平面天线已经无法适应双模导引头的发展需要。一种新的尝试是把共形天线技术引入导弹制导领域，实现天线与天线罩一体化。这项技术利用微带天线的低剖面特性，把宽带被动天线直接印刷在天线罩或者红外头罩根部外表面上，而在天线罩或红外头罩内部，是常规安装的主动窄频带、窄波束天线，或红外敏感元件。

2 共形天线的研究内容及关键技术

2.1 天线单元的研究

无论是共形天线还是共形天线阵，天线单元的研究都是基础性的工作。飞行器平台要求共形天线单元具有低剖面、易弯曲成形、可承载等特点。共形天线单元的选择还要考虑天线带宽、阻抗特性、极化特性等性能要求。

目前研究较多的是微带结构的共形天线单元[1,7-12]。微带天线由接地平面、介质基片和微带单元组成，其厚度一般只有几毫米。飞行器的金属表皮是微带天线天然的接地平面，将具有一定形状的印刷电路板与飞行器表皮复合在一起，就构成微带天线。介质基片的形状可以利用模具来保证。由于微带天线较薄，所以可以直接安装在飞行器外表面，这时天线略微突出于飞行器表面，也可以将共形天线嵌入飞行器表面中，使飞行器外表看起来是光顺的。共形微带天线的微带贴片是曲面的，而且贴片后的接地面也是曲率半径为有限值的曲面[10]。常规微带天线的带宽很窄，利用多层微带结构、增加基板厚度和改变馈电激励方式等，微带天线的带宽可增大到30%[7]。

缝隙天线可以嵌入在曲面上，也适合飞行器共形天线应用[1,7,10]。缝隙天线是在导电平面上开长方形缝隙，有横向单元开槽、纵向单元开槽和斜向开槽三种类型。适当选择缝隙的形状、取向和相对位置可产生不同形状的天线方向图。如果把裂缝波导做在飞行器的外表面，或者把它放在表皮中相应缝隙的外面，就形成共形天线阵列。在工程应用中，在缝隙的表面填充介质材料，以满足承载和耐环境要求。飞行器缝隙天线的主要缺点是带宽较窄，通常只有5%左右。

螺旋天线是用金属线或金属管绕制而成的螺旋形结构的行波天线，通常用同轴线馈电，同轴线内导体和螺旋线一端相接，外导体和接地板相连。将螺旋线缠绕在一个介质板圆球上，形成球面螺旋天线。球面螺旋天线可以作为共形天线使用，一般用在低速飞机或者卫星上。螺旋天线重量轻、频带宽，可达2 GHz～18 GHz，其圆极化覆盖角度非常宽，而且波瓣图上没有旁瓣，当频率变化时方向图变化不大。为了增强螺旋天线的辐射，可在天线底部增加一个圆形的反射板。

共面波导馈电的印刷宽缝隙天线可以做成共形天线。该类天线利用共面波导导带作为馈源对缝隙进行激励，采用不同的缝隙或者馈源结构，可以获得不同的带宽。采用内导带开路馈电，可得30%的驻波比带宽，共面波导内导带伸出的部分变宽，调节矩形贴片的宽度、长度以及贴片与缝隙的距离，可获得60%的带宽，若采用圆形贴片作馈源，天线的驻波比带宽可增大到143%。共面波导天线与微带天线结构相似，也具有低剖面、易弯曲的特点，非常适合作为飞行器天线使用。

2.2 共形天线的研究和应用情况

共形天线的起源至少可以追溯到20世纪30年代，Chireix分析了一个排成圆形的环形偶极子阵列系统。环形阵列具有旋转对称性，可用于广播和通信，后来也被用于导航和测向。环形阵列的典型应用是Wullenweber阵列[1]。Chireix的工作为飞行器共形天线的研究奠定了基础。

20世纪50年代，Jim Wait对开凿在金属圆柱上的缝隙辐射做了基础性研究工作，后来许多人用模式展开技术或高频衍射技术继续拓展他的工作，其研究成果在飞机机翼前缘的共形天线上得到了应用。

1974年，Munger对锥形共形天线进行了研究，但是进展缓慢。1975年，Bearse研究了圆顶雷达天线，该天线有一个半球形无源传输型透镜，平面相控阵在径平面馈电，透镜给波束附加了一个额外的偏转角，以获得超过90°的扫描范围。

位于圣迭戈的美国海军电子实验中心做出了大量重要的共形阵领域研究成果，这些成果包括在圆柱阵列和圆锥阵列及其馈电系统的进展[1]，大部分该领域的研究成果取得于1974年左右。

多个国家开展了共形阵雷达天线的研究和试验工作。美国的雷声公司为空军进行了一项共形阵雷达技术的研究计划，该天线与载机蒙皮的气动力形状共形，天线背后装有单片微波集成电路T/R模块，其多个共形阵面安置在机体的两侧以及两翼的前缘，通过开关控制交替工作实现全方位电扫描，收发单元可以进行精确的控制以形成所需的窄波束[5]。

美国格鲁曼公司为海军研制无源机翼共形阵，用于未来飞机的反电子对抗。其天线单元采取八木型，MMIC模块由通用电气公司生产。格鲁曼公司还在机翼前缘安装了有源相控阵列，用来进行共形阵雷达系统实验，通过自适应处理手段可以克服机身的变形和机翼抖动所带来的影响。

以色列的艾尔塔公司已经研制出相控阵L波段准共形固态AEW系统，该系统安装在波音707飞机上，6个天线阵面分别布置在机头、机尾和机身两侧，通过开关控制联合体360°方位扫描以及俯仰扫描。艾尔塔公司还在湾流550载机上实现了L波段平面准共形阵雷达试飞。

共形天线在民用飞机上也开始得到应用。贝尔公司通信系统部开发的空中链共形相控阵天线是波音747-400飞机的一种流行方案，它为机组成员和乘客提供卫星通信能力。空中链高增益天线有两个频段，即1 530 MHz ～1 559 MHz和1 626.5 MHz ～1 660.5 MHz，其尺寸为16 in×32 in×0.29 in(1 in=2.54 cm)，重量为5.26 kg。它是一种自动卫星截获并跟踪、电子波束控制、与飞机机身共形的平板型天线。

2013年4月，美国的Kymeta公司与国际海事卫星组织合作推出了一款基于超材料的Ka频段共形相控阵天线[13]，该天线采用超材料实现电子波束扫描，从而省略了传统的移相器，简化了天线结构，天线厚度小于50 mm。

对于导引头共形相控阵天线的研究始于20世纪90年代。美国海空电子战中心武器部门于1993年发布了圆锥表面有源电扫阵列演示验证项目，研制用于大气层内直接撞击拦截导弹的导引头天线。项目周期四年，目标有两项：开发共形天线的分析/综合软件，研制演示验证硬件样机，包括一个共形辐射模块，一个共形天线驱动模块。该项目对天线的要求是体积小、重量轻，且在恶劣的气候条件下保证极高的命中精度。这些要求导致了选择毫米波/红外双模导引头方案，其中，毫米波天线采用共形阵列。演示验证用的天线结构为半角15°、根部直径13.4″、高度25″的锥台。在圆锥表面相对两侧，排列了两个子阵列：一个84个单元，另一个56个单元。单元天线由正交极化介质加载圆波导构成。

雷神公司提出了一个双模导引头共形天线的原理方案。该天线包括一个锥台形介质天线罩结构(其开口处提供了红外传感器的安装空间)和一个射频波段的电扫缝隙阵列。天线罩由厚度约为1/4波长的介质构成。最外层是导电层，其上开有许多缝隙。缝隙绕着天线罩纵轴在圆周方向连续延伸，在轴线方向以一定间隔分布。在罩内安装终端馈电“蛇形”或折叠传输结构，可把RF信号从结构的激励端传送到另一端。缝隙沿着折叠结构配置，从折叠结构泄露的能量进入缝隙，并通过缝隙辐射出去。由于频率的色散效应，传输结构的电长度随频率扫描而发生变化，这将导致辐射波束的移动而形成扫描。因此，该天线可称为“频率扫描”相控阵天线。

图3是整合到飞机机翼上的共形阵列天线的照片[14]，图4是用于卫星数据通信的圆锥共形阵列天线的照片。

图3 飞机机翼上的共形阵列天线

图4 用于卫星通信的圆锥共形阵列天线

2.3 共形天线的关键技术

共形天线在理论研究和演示验证方面取得了一定的进展，在通信和雷达领域获得了一定应用，但是这种技术还很不成熟，在理论研究和工程实践中仍存在许多技术难题，特别是在大型共形阵列天线应用时，问题更为突出。这些问题主要表现为以下五点：

1)共形阵列天线的方向图仿真计算问题[1,15-16]。在平面阵列天线方向图计算时，阵列天线的方向性函数等于阵函数乘以单元天线的方向函数，而在共形阵列天线中，不同天线单元所在的位置不同，其轴线方向也不同，方向图是有区别的，这就破坏了方向性乘积原理成立的条件。因此，共形阵的方向图不能表示成一个显式，必须采用数值计算方法。另外，共形天线一般属于电大、超电大尺寸，且电磁结构十分复杂，目前缺乏可供使用的商用软件，只能对某些简单情况近似求解。因而，在设计上必须借助大量的试验工作。

2)馈电网络复杂[1]。对于共形天线而言，当波束扫描到某一方向时，并不是所有天线单元都对主波束有贡献，为避免增加副瓣电平和降低天线效率，必须断开或者改善对主波束无贡献的单元激励，这样势必增加馈电网络的复杂性。在很多情况下，共形天线的复杂性、成本和重量主要取决于馈电网络。

3)材料与工艺问题[1]。目前，微带天线的制作主要依赖覆铜板，其介质材料为有机复合材料，铜箔通过热压与基板结合在一起。在制作微带天线和微带电路时，通过绘图、照相、光刻腐蚀等，去掉铜箔的多余部分，留下的部分形成微带天线及其馈线，这存在如下问题：有机材料基板及其铜箔的耐热性能，对于机载天线是没有问题的，对于高速导弹的高温要求，则满足不了。其次，还要解决陶瓷表面金属化、金属表面陶瓷化、厚膜工艺尺寸精确控制、材料热膨胀匹配及电路金属材料在高温下的稳定性问题。

4)天线单元之间的耦合问题[3]。共形天线的单元天线间距接近λ/2，距离很近，天线单元之间的耦合问题十分严重。耦合将导致天线阵的电流分布发生变化，引起副瓣电平抬高、增益下降和主瓣宽度变宽等不良后果；耦合使天线单元的反射增加，且随着天线扫描角度的变化而变化。天线单元与馈线中各节点间场的来回反射使天线阵的匹配更加困难；耦合会导致天线扫描出现“盲角”。由于相互耦合的影响，当天线波束扫描至接近出现栅瓣的方向时，有源反射系数将可能突然增大到接近1。这意味着所有加在天线单元上的发射信号几乎全部被反射回来，使得该天线波束指向的天线波瓣出现一个很深的凹口，甚至零点。与此对应，天线增益将急剧下降，出现“盲视现象”。因此，研究减小耦合的影响是十分重要的。

5)雷电防护问题。一般情况下，共形天线是非金属材料和金属材料的组合体，共形天线的外面不再配置传统的天线罩。当共形天线直接暴露在飞行器外部时，雷电防护问题就显得十分突出。出于电磁辐射方面的考虑，共形天线多安装在飞行器上比较突出的位置，这些位置属于雷电1区，雷电先导很容易附着到这些地方。如果雷电附着到共形天线上，则可能损坏天线，甚至天线的接收设备，极端情况下甚至会造成机毁人亡。在传统的天线加天线罩情况下，雷电防护的任务主要由天线罩承担。对于共形天线而言，雷电防护的主要任务是避免雷电附着或者使雷电附着所造成的损失在可接受的范围内。

2.4 对天线罩的影响

共形天线的研究和应用，对天线罩的影响很大。传统意义上的天线罩与天线是两个各自独立的成品，两者之间有明晰的分界面。从功能上来讲，天线主要实现收发电磁信号的功能，天线罩主要承载飞行器的气动载荷和环境载荷。天线与飞行器共形以后，共形天线本身安装在飞行器的结构当中，或者说共形天线自身就是飞行器结构的组成部分，它能够承受飞行器的各种载荷，不需要额外的天线罩来保护共形天线了。传统意义上的天线罩将与共形天线融为一体[5-7]。

在共形天线中仍有一部分介质结构，这部分介质结构与天线结构融为一体，不可分割，已经不是传统意义上的天线罩。共形天线中介质结构的形式与共形天线的类型有关，没有统一的标准。对于微带共形天线，介质结构是实芯或夹层介质壁结构，在介质结构上有金属贴片阵。螺旋天线共形是在介质结构表面缠绕金属线。对于缝隙天线而言，开缝的导电体本身有较高的强度和刚度，需要用介质结构把缝隙保护起来，这时的介质结构可能就是一层较薄的介质层，相当于天线罩中的薄壁结构。与传统天线罩最接近的可能是双/多模导引头共形天线中的介质结构，这里的介质结构大概相当于陶瓷天线罩或类似耐高温天线罩的毛坯。

3 结束语

近年来，共形天线在现代飞行器上的应用成为热点问题，由于其能够满足飞行器新的功能要求，采用共形天线后，天线和天线罩将一体化，不再需要额外的天线罩来保护天线，能够显著改善飞行器的气动特性、增大天线孔径、降低载机的后向雷达散射截面，在航空航天领域有广泛的应用前景。通过分析不同形式的共形天线单元、设计和制造方面的关键技术，以期对未来研究飞行器共形天线有所帮助。

[1] Lars J, Patrik P. Conformal array antenna theory and design[M]. Now Jersey: John wiley & Sons, Inc., 2006.

[2] 叶 杰, 刘志慧. 机载预警雷达共形阵应用技术分析[J]. 现代雷达, 2009, 31(7): 8-11. Ye Jie, Liu Zhihui. Analysis of application of AEW badar with conformal array[J]. Modern Radar, 2009, 31(7): 8-11.

[3] 李咪咪, 寇飞行, 姚雄华. 飞机天线/结构一体化技术综述[J]. 飞机工程, 2010(3): 26-29. Li Mimi, Kou Feixing, Yao Xionghua. Research on aircraft structurally integrated antenna[J]. Aircraft Engineering, 2010(3): 26-29.

[4] 张光义. 共形相控阵天线的应用与关键技术[J]. 中国电子科学研究院学报, 2010, 5(4): 331-336. Zhang Guangyi. Application and key technologies of conformal phased array antenna[J]. Journal of China Institute of Electronics, 2010, 5(4): 331-336.

[5] 朱 松. 共形天线的发展及其电子战应用[J]. 中国电子科学院学报, 2007, 2(6): 562-567. Zhu Song. Development of conformal antenna and its EW applications[J]. Journal of China Institute of Electronics, 2007, 2(6): 562-567.

[6] 宋银锁, 马妙技. 导引头共形相控阵天线研究进展[J]. 航空兵器, 2008(6): 44-47. Song Yinsuo, Ma Miaoji. The advance on seeker conformal phased array antennas[J]. Aero Weaponry, 2008(6): 44-47.

[7] Herskovicz S B. Now you see it, now you don't have conformal antennas finally arrived[J]. Journal of Electronic Defence, 1989(7): 16-23.

[9] 蔡良元, 白树成, 典建直, 等. 某新型航天器返回舱舱门共形天线研制[J]. 宇航材料工艺, 2000, 30(5): 66-69. Cai Liangyuan, Bai Shucheng, Qu Jianzhi, et al. Study of return module hatchdoor conformal antenna[J]. Aerospace Materials & Technology, 2000， 30(5)： 66-69.

[10] 赵 刚. 共形天线及共形天线阵综述[J]. 大众科技, 2009(1): 36-38, 27. Zhao Gang. An overview on conformal antenna and conformal array[J]. Public Science and Technology, 2009(1): 36-38, 27.

[11] 倪国旗. 介质理藏微带天线[M]. 北京: 国防工业出版社, 2012. Ni Guoqi. Dielectric embedded microstrip antenna[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2012.

[12] 李志勇. 微带共形天线阵在遥测系统中的设计应用[J]. 航空兵器, 2006(4): 28-31. Li Zhiyong. Application of microstrip conformal antenna in missile telemetry system[J]. Aero Weaponry, 2006(4): 28-31.

[13] 邹火儿, 韩国栋. 机载低剖面卫通天线的发展与未来[J]. 现代雷达, 2014, 36(3): 53-56. Zou Huoer, Han Guodong. Development and euture of low profiled airborne antenna for satellite communication[J]. Modern Radar, 2014, 36(3): 53-56.

[14] Kamo M, Hashimura T, Katada T, et al. Digital beam forming for conformal active array antenna[C]// IEEE International Symposium on Phased Array Systems and technology. Boston, MA: IEEE Press, 1996: 37-40.

[15] 张 凡, 张福顺, 赵 钢, 等. 共形天线阵列方向图分析与综合[J]. 西安电子科技大学学报, 2010, 37(3): 496-501. Zhang Fan, Zhang Fushun, Zhao Gang, et al. Pattern analysis and synthesis of conformal antennas array[J]. Journal of Xidian University, 2010, 37(3): 496-501.

[16] 刘元柱, 肖绍球, 唐明春, 等. 共形天线分析综合方法研究进展[J]. 航空兵器, 2011(5): 13-17. Liu Yuanzhu, Xiao Shaoqiu, Tang Mingchun, et al. Development of method of analysis and synthesis for conformal antenna[J]. Aero Weaponry, 2011(5): 13-17.

许 群 男，1966年生，研究员。研究方向为雷达罩设计和试验。

王云香 女，1962年生，研究员。研究方向为雷达罩电性能设计仿真。

刘少斌 男，1965年生，博士生导师。研究方向为计算电磁学和天线设计。

巩亚萍 女，1963年生，高级工程师。研究方向为非金属材料及工艺。

An Overview on Conformal Antenna Technology for Aircraft

XU Qun1,2，WANG Yunxiang1,2，LIU Shaobin1，GONG Yaping2

(1. Department of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China) (2. Key Lab of High performance Electromagnetic Window for Aviation Science and Technology, Jinan 250031, China)

Conformal antenna has low profile characteristics.Conformal antenna improves dynamic and stealth performance of aircraft,enlarges airborne antenna aperture,properly resolves the contradictions of dual-mode seeker antenna aperture superimposed.The demand background,main function and research course of conformal antenna and conformal antenna array were reviewd. The characteristics of conformal antenna elements are analyzed，such as microstrip antenna, slot antenna, spiral antenna and coplanar waveguide antenna. The key technology of the conformal antenna in the design and manufacture is extracted. Effects of conformal antenna on radome is summarized.

conformal antenna; radome; conformal antenna array;dual-mode seeker;microstrip antenna;slot antenna

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.09.012

许群 Email：xuqun_jn@126.com

2015-04-30

2015-07-22

TN828

A

1004-7859(2015)09-0050-05