弹载超宽带共形天线的现状与发展

郑昊莺, 鲁洵洵, 贺伟炜

(上海无线电设备研究所,上海201109)

0 引言

随着现代化战争攻防对抗日益激烈、战场环境日趋复杂,单一模式的制导技术难以满足未来战争的要求,复合制导技术的应用越来越受到人们的重视。作为复合制导常用的模式之一,被动雷达导引头的发展受制于超宽带天线技术的发展。现有的超宽带天线技术可以有效地提高被动导引头的作战性能,例如采用大口径、超宽带、圆极化等技术。但是由于弹体空间有限,迫切要求被动模式天线可以进行小型化共形设计,并简化安装,为其它制导设备预留出更多的空间。因此,小型化、超宽带、共形天线技术越来越受到人们的重视。

1 弹载超宽带共形天线比较

现代化战争攻防对抗日益激烈、战场环境日趋复杂,要求精确制导武器能在复杂的背景和强干扰下准确地截获、跟踪目标。单一模式的制导技术对工作环境的依赖性强,难以满足未来战争的要求,所以复合制导技术应运而生。复合制导技术选用不同制导方式复合,以获得最佳性能。

在复合制导体制下,被动天线作为被动雷达导引头的重要组成部分,要求在占用弹体空间尽可能小的前提下,在超宽频带内具有良好的阻抗匹配和辐射特性,在结构上实现与弹体共形。目前,弹载超宽带共形天线主要可以分为对数周期天线、平面螺旋天线、Vivaldi天线与TEM喇叭天线,这四种天线的性能比较见表1。

表1 四种超宽带被动天线的性能比较

从表1可以看出,对数周期天线的辐射为端射方向图,易于共形,但天线结构设计和馈电结构复杂。而平面螺旋天线、常规Vivaldi天线和TEM喇叭天线存在着方向图无法端射、结构不易共形和尺寸大等问题,这些问题会直接影响与弹体共形安装后被动天线的电气性能。

为了解决目前被动共形天线存在的问题,需要从天线形式与安装环境综合考虑,通过合理空间布局,设计出新型超宽带被动天线单元,满足系统对小型化超宽带共形天线的需求。

2 国外弹载超宽带共形天线发展概况

对共形天线的研究从上世纪70年代就有陆续的研究报道被发表。到了上世纪90年代,共形天线的研究开始成为热点,相继有不少实际的共形天线阵列出现。1996年,Kanno等人设计了X波段的拟机翼椭圆柱面共形阵,如图1所示。2002年,Steyskal等人设计了C波段拟真实机翼形状的共形微带阵列,如图2所示。英国一研究所设计制作了半球空间波束覆盖的卫星移动通讯天线,如图3所示。爱立信联合实验室设计了圆柱共形波导阵列,如图4所示。

近年来,美意联合发展了AGM-88E反辐射导弹,如图5所示。该导弹是美海军高速反辐射导弹(HARM)的后继型号,能显著提高电子战飞机搜索、识别和最终摧毁敌方防空系统的能力,并于2010年前后服役装备部队。其中AGM-88E反辐射弹的被动制导采用了8个宽带被动共形天线单元,采用了单线极化的工作模式。由于AGM-88E反辐射弹的宽带被动共形天线采用了单线极化的工作模式,在某些情况下,由于天线极化失配问题可能导致被动导引头性能下降甚至无法工作,这是单极化宽带被动共形模式存在固有的缺陷。因此,美国在全新预研新一代导弹时,宽带被动共形天线采取了双线极化共形天线的方案。

图1 X波段的拟机翼椭圆柱面共形阵

图2 C波段拟真实机翼形状的共形微带阵列

3 弹载超宽带共形天线关键技术

复合制导模式下的被动小型化超宽带共形天线的最大设计难点在于有限空间下的天线单元、阵列设计以及共形安装后金属载体对天线各项电性能的影响和方向图修正。因此,小型化超宽带共形天线关键技术,涉及曲面共形技术、小型化超宽带技术、方向图修正技术。

(1)曲面共形技术

复合制导模式需把多个模式的天线共同安装在同一个导弹天线罩内,造成导弹天线罩内的空间不足。为给其他模式的相关设备留出较充裕的空间,要求对被动天线进行小型化、与舱体共形的设计。共形天线对载体本身的空气动力学性能影响很小,可以简化天线安装。因此,曲面技术的研究至关重要。

(2)小型化超宽带技术

当前导弹等载体的结构尺寸较小,天线安装的空间受到很大限制,并且系统对天线工作的频率下限要求较高,天线小型化设计与天线低频、宽频工作产生较大矛盾。需要采取措施实现天线的小型化以及天线的宽带阻抗匹配,满足天线小型化设计后的合理增益输出。

(3)方向图修正技术

天线共形安装设计后,受其它模式制导设备中的金属材料影响,共形天线的端射性能受到严重干扰,方向图产生大角度偏移,甚至开裂,不利于被动模式导引头的正常工作。针对共形安装环境对超宽带共形天线方向性图产生的反射、叠加效应,研究特定边界条件下的天线方向图性能,并对方向图进行修正,实现方向图的全空间覆盖。

图3 卫星移动通信共形天线

图4 圆柱共形波导阵列

图5 AGM-88E反辐射导弹

4 弹载超宽带共形天线的发展趋势

在国防军事建设上,近年来各种先进的飞行器,例如飞机、导弹、巡航导弹等,为了获得更高的武器性能,也要求将它们所携载的雷达改成共形雷达。目前,根据美国、俄罗斯等国家关于复合制导下被动雷达导引头天线的研究方向来看,小型化,低剖面、超宽带、共形天线已经成为发展趋势。尤其是美国,已经装备的先进哈姆和正在开展的第五代空空导弹已成为重点发展对象,其所配备的宽带被动雷达导引头就采用超宽带共形阵列天线形式。目前,共形天线使用最多的是机载共形天线,一般情况下,一架飞机上安装的天线数目在20～70个不等。考虑到飞机的机动性能以及系统性能,迫切希望天线能够同飞机表面共形,而且采用共形天线对增大机载天线的有效口径也十分有利。

对弹载超宽带共形天线技术的研究不仅在国防军事建设上有重大意义,在民用通信设备中同样有着广泛的应用前景,例如共形天线技术己经被用在汽车后窗以取代以前汽车后部的鞭状天线。在日本,己经有人将天线设计到使用者的衣服上作为移动通信的天线终端。国内也已经有科研机构将移动通信的天线共形设计到了使用者的腰带上。可以展望,在不久的将来,弹载超宽带共形天线技术不仅在弹载领域具有重要作用,而且在移动通讯领域同样具有更广泛的应用前景。

5 结束语

复合制导导引头具有抗干扰能力强,目标识别性能好,作用距离远等明显优势,已成为各国精确制导的重要方向。弹载超宽带共形天线在复合制导的应用中具有至关重要的作用。随着反辐射导弹及各种飞行器在战争中的地位日益加强及相关技术的快速发展,弹载超宽带共形天线性能要求也越来越高,弹载超宽带共形天线技术的研究具有更深远的影响和更广泛的应用前景。