机载预警雷达天线发展趋势及关键技术

郭先松，孔令兵，刘小飞

(1. 南京电子技术研究所，　南京 210039;　2. 天线与微波技术重点实验室, 南京 210039)

(3. 中邮建技术有限公司，　南京 210012)



机载预警雷达天线发展趋势及关键技术

郭先松1,2，孔令兵3，刘小飞1,2

(1. 南京电子技术研究所，南京 210039;2. 天线与微波技术重点实验室, 南京 210039)

(3. 中邮建技术有限公司，南京 210012)

摘要：综合性预警探测多功能一体化系统是下一代机载预警雷达的一种必然趋势，它要求天线阵面具备多功能、与平台一体化的特征，实现超宽带、多频段性能，并能在硬件资源上支撑数字智能化的系统体系架构。文中首先分析了机载预警雷达天线阵面的发展趋势和国内外研究现状，继而分析了目前机载预警雷达天线系统的关键技术，阐述了相应的技术实施途径和核心问题，提出部分解决方案。

关键词：相控阵天线；超宽带天线；端射天线；智能蒙皮

Development Trend and Key Technology of

0引言

机载预警雷达的根本任务是在复杂的电磁环境中下视探测目标，地杂波、干扰信号、隐身目标是其面临的主要挑战[1]。其技术进步始终是围绕着上述挑战开展，其中天线技术进步最具代表性。第一代机载预警雷达直接把地面雷达搬上飞机，天线形式多为反射面、常规阵列天线[2]，天线副瓣电平高，地杂波强，加之雷达的反杂波技术落后，导致雷达在陆地上探测性能弱，以海面上空工作为主。以E-3A为代表的第二代预警雷达，天线技术取得了长足进步，天线采用波导缝隙阵列阵[3-5]，实现了超低副瓣。我国研制的ZDK03预警机采用波导缝隙阵列，天线副瓣电平优于-40 dB，极大提高了雷达的反杂波及抗干扰能力。第三代预警机雷达中有源相控阵、数字阵技术得到广泛的应用[6]，国外研制的鹰眼(E2-D)、锲尾、海雕，国内

研制空警-2000、空警-200都装配了有源相控阵雷达。

随着预警机雷达技术发展[7]，实现综合性预警探测系统呈现为一种主要趋势，对雷达、通信、电子战、JIDS 天线孔径进行综合是必然要求。针对这样功能及性能的需求趋势，对相控阵天线系统提出了如下发展需求：

1)超宽带、多频带

由于不同的频率资源适用于不同的功能需求，超宽带多频段是实现多功能的基本要求，而其实现方式可以采用超宽带或者多频嵌套的方式。但它们均面临着多种工程问题和难点。

2)功能、平台一体化

大孔径天线在载机平台上的安装矛盾突出，机头空间有限，背在机背上影响飞机的气动性能。因此，较好的解决办法是把雷达天线和机身融合在一起，把雷达天线安装在飞机蒙皮内，通过共形相控阵天线和超薄型设计技术实现蒙皮天线是未来机载预警雷达的一

个发展趋势。蒙皮天线基本特征是轻薄化、共形化、可端射、可承载，同时雷达功能需要天线具有高增益、低副瓣等性能，因此，也带来诸多技术难题。包括低波段、超宽带和轻薄化的矛盾，共形端射和低副瓣的矛盾等等。

3)数字智能化

智能化体系架构要求阵面系统具有数字自适应的特征，包含数字T/ R组件、数字波形产生、数字幅相控制、数字波束形成及大功率发射模块等。

针对这些功能需求和技术难题，多功能一体化天线阵面需要从宽带天线、共形天线、多频天线、端射天线以及蒙皮天线方面开展探索研究。

1新一代机载预警雷达天线发展趋势

国外预警机雷达天线经历机械扫描、机相扫和有源相控阵几个阶段的发展，进入了平台一体化阶段。波音公司的楔尾预警雷达采用了“T”形阵列布局[7-8]，如图1所示，虽然还是背负式结构，不同于传统的蘑菇罩方案，其背鳍提供足够的大天线口径，实现对机身两侧空域的覆盖，顶帽天线采用端射阵技术实现前后空域的覆盖。端射阵列的应用不仅是该型预警机的技术亮点，也为预警机雷达开辟了一条新的技术路线。

锲尾预警机雷达对相控阵天线进行了创新性尝试，但仍属于平台加任务设备的方案。为了进一步突破平台对天线口径限制，美国空军研究实验室(APL)20世纪90年代启动的“传感器飞机”预先研究项目，代表下一代预警机的一个发展方向[8-10]，如图2所示，其目标是开发一种高空长航时无人预警机，集预警侦察和指挥控制功能于一体。其最显著的技术特征是采用蒙皮天线，雷达天线和飞机蒙皮天线一体化设计，整机以传感器为核心，获得超大天线口径，同时保证对飞机的气动外形，载荷需求。传感器飞机设想安装双波段天线，分别覆盖高低频段。

图2　传感器飞机

在低频段雷达方面，空军研究实验室授予诺·格公司“传感器飞机共形低频段天线结构”(S-CLAS)合同。诺·格公司研制出面积为7.6 m×2.7 m(25单元)、承重能力为700kg/cm2(F/A-18飞行时机身中部压力为280 kg/cm2)的小面阵，工作频段0.15 GHz~2.20 GHz。图3为其小面阵实物图。目前，项目改名为“低频段结构天线”(LOBSTAR)，不过研制工作在持续进行，并将在BAC111飞机上验证。

在高频段雷达方面，空军研究实验室于2004年授予雷声公司“X频段薄雷达孔径”[11](XTRA)合同，雷声公司于2006年完成研制工作，其基本构型如图4所示。天线具备共形、承重能力强的特点。

图4　XTRA在传感器飞机上集成示意图

阵列的核心内容包括可承载阵、共形阵和轻薄阵等三类。波音公司通过“多功能结构与共形孔径”项目[12]，瞄准三类结构组件开展一体化天线研制如机翼(一级结构)、武器舱(二级结构)、整流舱或侧机身(三级结构)。目前已完成大规模机翼组件(LCSw)和大规模舱门组件(LCSd)测试，如图5所示。LCSw测试演示和校验了大规模结构阵列作为一级结构的结构和电气耐久性；LCSd结构一体化天线适用于二级结构，且在较高的声压级条件下的生存能力较强。该天线在三级结构工作环境中的适航能力得到了验证。

从上述信息可以看出，宽带、多频、端射、共形、蒙皮天线技术是预警机雷达相控阵天线技术发展趋势。

2机载预警雷达天线关键技术

2.1超宽带相控阵天线

频率资源是雷达可供利用的最重要的资源之一，各种不同的频段资源具有各自的优势和劣势，使用于不同的应用场合。在下一代先进预警机的多功能、多任务、高性能、智能化、一体化的要求之下，需要合理结合各个频段资源的性能优势，实现综合性预警探测系统，实现 “预警探测→目标识别→信息传输→协同作战→战场评估”的现代作战模式，提高作战效能和生存能力。

天线作为上述超宽带或多频段雷达天线系统的核心技术，首先要求具有超宽带或者多频段性能，同时组阵条件下实现波束性能和扫描特征满足系统指标要求。超宽带天线种类很多，适合相控阵应用的超宽天线形式较少，根据超宽带天线的技术特点，划分为四个代次[8]，如图6所示。第一代为长槽线天线单元，工作带宽可以到达8个倍频程，性能稳定，应用广泛。主要存在相对较高的缺点，通常需要工作低频点的0.5~1个波长，对于低频段应用尺寸偏大。第二代天线单元是在第一代单元基础上得到改进，采用平衡馈电技术，避免宽带巴伦，天线高度减低到高频段的半个波长以下，典型带宽可以到4个倍频程，但天线的极化特性差，同时需要平衡馈电，限制工程应用。第三代天线单元和前两代单元技术差异较大，它是从对称振子天线和缝隙天线单元演化出来的，利用相邻单元间的耦合电容来匹配反射板的感性效应实现宽带匹配，天线高度为中心频率的1/4波长，该种天线形式需要利用天线单元间的强烈互耦效应[13-15]，需要单元间距远小于高频端的半波长，导致阵列应用中单元数量偏多，影响工程使用。第四代单元在第三单元单元的基础上利用高阻磁性材料加载来压低天线高度，天线高度小于高频段的1/10波长，由于磁性加载材料存在，天线效率较低，带内损耗约2 dB。

超宽带天线的单元间距通常为高频端的半个波长左右，在低频端天线单元间距远小于半个波长，小单元间距产生强烈的互耦效应，对单元的馈电精度要求严格，如果馈电误差偏大，导致天线有源驻波急剧恶化，如果处理不当，将会带来严重后果。仿真和实验结果表明，对于一个10×10单元的槽线阵列天线，设计带宽为3.5个倍频程，在最大扫描角度为60°时，馈电相位误差到30°时，会出现全反射现象。

强烈的互耦还会产生第二个问题，天线边缘效应明显，阵列边缘单元的驻波特性和方向图特性明显退化，对相控阵的馈电系统及自适应波束形成带来影响。在天线口径资源充分的应用环境中，可以通过设定哑元单元来避免该问题，但机载预警雷达天线，天线口径尺寸是最宝贵的天线资源，则必须通过技术措施保证边缘天线单元可用。

因此，超宽带天线技术发展的重点不仅是如何提高天线带宽、降低天线尺寸，还要处理好相控阵的馈电幅相精度控制及边缘单元的处理。

2.2共形阵列天线

共形相控阵天线[16-17]也是天线适应现代预警探测雷达智能化、轻型化需求的技术途径。从装备个体来看，满足同时多功能及装备轻型化的需求要有更为智能化且能与装备最大限度融合天线部件；从整个作战体系来看，如何快速适应复杂多变的战场环境，并实现与立体作战空间内的各型武器装备的高度协同，也迫切需要有智能化的信息获取、传递手段作为支撑，这也离不开智能天线技术。下一代预警探测要求在分辨率、探测距离和范围、响应时间、隐身性能上获得提升，提出了大角度扫描、低副瓣、多波束、低散射截面等要求。

机载共形天线指一个与机体形状共形的天线和天线阵列，甚至作为载机表面的一部分。机载预警雷达采用共形阵方案可以显著改善平台对雷达天线的限制，充分利用平台面积，增大天线口径，提高对隐身目标的探测距离，改善雷达天线对安装平台空气动力学性能的不良影响，改善普通平面相控阵雷达天线宽角扫描性能退化较大的缺点。共形天线将是未来预警雷达的发展方向。

从已有的阵元来看，共形单元可以从以下几个方面考虑。

(1)槽开口天线，这类天线组成的阵列在方位面内通过butller 矩阵和移相器实施相控扫描,俯仰面上通过频率控制器实施频扫。这种槽天线的带宽典型值可以达到30%，并且具有低副瓣特性。

(2)微带天线，微带天线由于具有剖面低、体积小、重量轻、易于与系统集成等特点， 近年来被广泛用于导弹、 飞机、 卫星、 火箭等飞行器上。同时，由于微带天线自身频带窄、损耗大，单个微带天线功率容量低、 介质基片对性能影响大等特点， 往往又需要加以改进 ，如加寄生贴片、使用短路针、采用双层或多层结构、贴片开槽等。这种天线非常适合目前的多模天线系统。而当需要圆极化时， 辐射元可选用印刷螺旋形，因为它在宽带内具有良好性能。

(3)共面波导馈电型。共面波导是一种可以采用微带加工工艺的传输线， 但改进了对场的束缚， 从而减小了交叉极化和互耦。共面波导与辐射缝隙能够组合成多种宽带天线单元形式， 利用共面波导对渐变缝隙天线馈电。

2.3嵌套多功能阵列天线

现代相控阵多功能雷达要求系统满足多种工作模式需求，对天线阵面提出了多频段一体化的技术要求，并且常常多个频段都要求大角度扫描。因此，对其设计提出了较高的挑战。机载预警雷达功能一体化对天线带宽更高的需求，当频率带宽放超过7个倍频程，到达10个甚至更宽的工作带宽时，超宽带天线技术理论上可以实现，但工程上很难实施，除了超宽带单元本身的设计难度，天线带宽越宽，天线高频段的工作波长越短，对天线的宽带馈电困难，同时相控阵天线馈电系统的重量会急剧增加。此时相控阵天线必须采用多波段设计，为了获得最佳口径利用效率,须采用口径嵌套技术。

嵌套多功能天线阵面是充分利用平台资源，最大发挥口径效率,实现多种功能的一种有效方法。该方式同时在有限的口径上需划分多波段利用，每个频段的口径资源均能获得最大化利用。图7是一种典型的多频段共口径天线实施方式，其基本单元为平面微带单元形式，通过多个频段间的频率倍数关系，合理设计单元的间距比例，通过单元优化，使得低频段辐射单元间距是高频段辐射单元的整数倍。在单元的基本结构排布关系确定后，再通过全波数字仿真对单个频段的辐射单元进行优化设计，再基本电信特征满足要求后，再进行不同频段之间的天线一体化设计仿真。其内容包含在保证宽频、宽角工作的同时，提高嵌套天线工作频率、极化选择的自由度，以及嵌套后各单元本身的辐射性能优化、相互之间的电磁环境评估及影响消减。

图7　嵌套共口径天线

这种嵌套方案易于实现天线轻薄设计，实验结果表明低频段的性能可以保证，高频段的性能有所下降。同时，嵌套天线存在多频天线之间的相互影响的问题必须针对相应的应用需求和技术特征进行协同设计和性能权衡。

2.4端射阵列天线

侧射阵的辐射方向垂直于阵列平面。天线的增益越高，所需要的阵列的口径面积就越大。因此，高增益的相控阵雷达的口径面积就相当巨大，并且一般位置固定。机载平台的口径资源相对紧张，很多时候其平行于辐射方向的口径较大，因此利用该部分口径资源是机载预警雷达天线阵面的一种发展趋势。端射阵正是能够满足上述需求的一种阵列。由于其最大辐射方向指向单元排列的轴向而不是法向，适合应用在需要较小风阻、较低安装高度的场合，特别是在各种机载平台机翼、机身等应用方面。

在阵列天线理论上，端射阵和边射阵没有本质区别，根据端射阵的阵因子理论公式[2]，端射阵可以等效于边射阵波束扫描90°或者大于90°的特殊情况。边射阵在工程中广泛应用，而端射阵在工程鲜有应用。究其原因，主要是端射阵在工程存在如下技术限制。

1)波束上翘

由于端射天线中反射背板的存在，当天线向端射方向辐射时，辐射波束因阵中单元方向图在与地板平行方向不是最大辐射方向而产生波束上翘。图8是典型端射阵方向图，可以看出，由于地板的影响，波束上翘约15°，端射方向增益下降3~5 dB。

图8　典型端射阵方向图

2)单元匹配困难

端射天线单元之间的相互遮挡和复杂的耦合问题较为突出。当阵元数目增多时，阵列的性能与设计要求差距增大，还有驻波的变差都会导致端射阵整体性能的恶化。并且当天线与平台外形共形时，每个单元的阵中环境均不一样，大幅增加了单元匹配的难度。

3)波束扫描受限

从端射天线适应的应用场景可以看出，大多端射天线阵列俯仰方向的波束宽度较宽，同时由于前述的单元遮挡问题、波束扫描时的单元间耦合状态变化，导致了天线阵列扫描增益性能和低副瓣性能难以保证，需要多种辅助设计手段进行综合优化仿真分析。此外，当增加波束指向方向的阵列单元个数时，由于单元之间的耦合变化得更加复杂，其增益的提高已经变化得非常缓慢。这些特点使得其应用于窄波束、高增益、低副瓣等雷达天线方面存在诸多工程问题。然而，上述技术问题成为端射阵研究的主要方向，我们期望波束上翘可以通过双层单元排布解决，单元匹配通过适当有耗加载来改善，波束扫描通过单元独立馈电等方式来解决。

2.5蒙皮天线技术

对下一代的机载平台而言，无论是有人驾驶的下一代战斗机还是自主操控的高性能无人机都朝着速度更快、飞行高度更高、功能更全面更先进的目标发展。对其雷达载荷而言，越轻质、越薄型、功能越综合越强大，其需求的优势就越明显。而随着数字化、软件化能力的提升，雷达中的主要硬件资源已向天线阵面集中，或者可以说天线阵面已成为下一代先进雷达体制的硬件平台。因此，机载雷达载荷轻质超薄型乃至与气动外形一体化共形的蒙皮式相控阵天线是其主要的需求与发展方向。智能蒙皮天线不是将平台与雷达单独设计并集成，而是在方案论证之初就采用一体化思路，将雷达天线与机体外形及结构高度集成。这就是“蒙皮天线”的核心。

蒙皮天线阵列是电信工作单元与平台承载结构一体化过程中最为关键的要素，也是实现智能蒙皮系统需要攻克的首要问题，其体系架构直接决定了作战能力、适装性能和装备成本。

蒙皮天线涉及的技术因素包括材料选择、制造工艺、天线集成、承载能力、形变补偿、雷电防护等。其中天线形式及集成方案技术重点。图9为典型蒙皮天线的一种方案构想。

图9　蒙皮天线基本架构图

其中，共形可承载天线是关注重点，可根据工作的不同频段选择不同的天线单元形式。对于高频段天线通常采用边射阵列天线形式，主要技术难度在材料工艺方面，本文不做详细论述。对于低频段天线，由于更容易获得水平安装空间，需要采用端射阵天线。低频段的波长长，常规单极子端射单元高度尺寸大，不适合蒙皮安装，因此需要研究轻薄化端射单元。同时，共形能力和大角度扫描能力也是蒙皮天线技术难点。

适合蒙皮天线的端射单元技术还在研究中，研究人员提出了各种单元形式，都在厚度、带宽、效率、阻抗匹配、扫描能力方面存在一些技术问题。其中，加载单极子和长缝单元都可以有效降低单元高度，加载单极子工作为垂直极化，长缝单元工作在水平极化。

图10是长缝端射天线单元的仿真模型及仿真单元方向图，单元的高度小于1/10波长。该天线利用缝隙作为辐射单元，通过前后缝隙间馈电相位调整，实现端向辐射,通过两组正交的缝隙组合使用，控制馈电相位，理论上可以实现水平面内任意指向的辐射。输入阻抗匹配同样是该单元必须解决的技术难题。

图10　长缝端射天线单元

我们选取典型的机翼蒙皮天线应用场合，开展机翼样段蒙皮天线阵仿真计算，系统采用贴片式辐射单元，实现前向辐射。图11为蒙皮天线三维模型。

图11　机翼样段蒙皮天线阵

图12 为上述蒙皮天线阵的法线方向图和扫描30°的方向图，由图可见机翼蒙皮天线可以实现基本天线辐射特性和扫描特性。

3结束语

随着预警机雷达技术发展，实现综合性预警探测系统呈现为一种主要趋势，即同时具备对空预警、对海预警、综合目标识别、侦察成像、辐射源探测、高速数据通信、有源干扰等多种功能。针对这样的功能及性能需求趋势，对相控阵天线系统提出了超宽带、多频带，功能、平台一体化，数字智能化等发展要求。本文针对这些功能和技术需求，论述了多功能一体化天线阵面在宽带天线、共形天线、多频天线、端射天线以及蒙皮天线等方面的关键技术问题，对主要研究方向和实施途径进行了梳理。

参 考 文 献

[1]张光义, 赵玉洁. 相控阵雷达技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006.

ZHANG Guangyi, ZHAO Yujie. Phased array radar technology[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.

[2]约翰·克劳斯．天线[M]．北京：电子工业出版社, 2006.

KRAUS J D. Antennas[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.

[3]钟顺时, 费桐求, 孙玉林. 波导窄边缝隙阵天线设计[J]. 西北电讯工程学院学报, 1976(1): 165-184.

ZHONG Shunshi, FEI Tongqiu, SUN Yuling. Design of the slotted waveguide antenna array[J]. Journal of Northwest Electronics Engineering College, 1976(1): 165-184.

[4]顾东华, 丁桂甫, 孙晓峰, 等. 共面波导馈电蝶形开口振子缝隙天线[J]. 微波学报, 2007, 23(1): 25-28.

GU Donghua, DING Guifu, SUN Xiaofeng, et al. A CPW-fed bow-tie dipolar slot antenna[J]. Journal of Microwaves, 2007, 23(1): 25-28.

[5]李刚. 超低副瓣波导缝隙阵列天线系统[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2011, 34(4): 537-540.

LI Gang. Ultra-low sidelobe slot waveguide antenna system[J]. Journal of Hefei University of Technology, 2011, 34(4): 537-540.

[6]HANEN R C. Phased array antennas[M]. New York: A Wiley-Interscience, 1998.

[7]张良, 徐艳国. 机载预警雷达技术发展展望[J]. 现代雷达, 2015, 37(1): 1-7.

ZHANG Liang, XU Yanguo. Prospect for technology of airborne early warning radar[J]. Modern Radar, 2015, 37(1): 1-7.

[8]陆军, 郦能敬, 曹晨, 等. 预警机系统导论[M]. 2版. 北京: 国防工业出版社, 2011.

LU Jun, LI Nengjing, CAO Chen, et al. Introduction to airborne early warning system[M]. 2nd ed. Beijing: National Defence Industry Press, 2011.

[9]BANKS D, BERDEN M, BARON B, et al. Structurally integrated X-band array development[R]. ADA479802, 2006: 1-12.

[10]CALLUS P J. Novel concepts for conformal load-bearing antenna structure[R]. DSTO-TR-2096. [S.l.]: DSTO, 2008: 111.

[11]URCIA M, BANKS D. Structurally integrated phased arrays[C]// IEEE Aerospace Conference. Bigsky, MF: IEEE Press, 2011: 1-8.

[12]JOSEFSSON L, PERSSON P. Conformal array antenna theory and design[M]. [S.l.]: Wiley-interscience, 2006.

[13]LIVINGSTON S, LEE J J. Evolution of wide band array designs[J]. IEEE International Symposium on Antennas and Propagation. Spokane, VA: IEEE Press, 2011: 1957-1960.

[14]MUNK B A. Finite antenna arrays and FSS[M]. New York: John Wiley, 2003.

[15]MUNK B A, TAYLOR R, DURHARN T, et al. A low-profile broadband phased array antenna[C]// IEEE Internation Symposium on Antennas and Propagation Society (Vol2). Columbus, OH: IEEE Press, 2003.

[16]LEE J, LIVINGSTON S, KOENIG R. A low-profile wide-band (5:1) dual-pol array[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2003,2(1): 46-49.

[17]CURTIS D. Conformal array antenna technology[J]. Electronics Engineering Communication, 2007(5): 15-18.

郭先松男，1973年生，研究员级高级工程师。研究方向为机载预警雷达相控阵天线设计。

孔令兵男，1981年生，高级工程师。研究方向为通信工程项目管理，通信无线网络的建设与优化，弱电智能化系统集成等。

刘小飞男，1981年生，博士，高级工程师。研究方向为相控阵天线与微波技术。发表论文十余篇。

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

修订日期：2015-09-28

通信作者：郭先松Email：xsguog@139.com

中图分类号：TN82

文献标志码：A

文章编号：1004-7859(2015)12-0019-06