飞行器共形天线新型制造工艺及应用研究进展

史则颖，叶冬，彭子寒，谢寒，王洪扬，蒋宇，黄永安

华中科技大学 机械科学与工程学院 数字制造装备与技术国家重点实验室，武汉 430074

共形天线是与载体表面结构外形保持一致且不向搭载对象引入额外负担的天线或天线阵。它在不影响载体的外形结构及空气动力学等特性下，可实现传统天线的导航、通信、定位等功能。相较于平面阵天线，共形天线具有诸多优势：① 具有低剖面性，保证载体良好的气动性，从而对飞行器的气动性影响较小；② 降低雷达散射截面积(Radar Cross-Section, RCS)，传统天线的性能依赖于其外形结构，严重增加飞行器的RCS，降低载体隐身性能[1-2]；③ 增大天线孔径，载体的大表面积可增大天线孔径，从而提高天线性能并且降低飞行器载荷[3]。共形天线已成为现代无线通信天线领域的一个研究热点，在飞机、导弹、及卫星等高速飞行器领域颇具应用潜力。

共形天线的研究工作起源于20世纪30年代，Chireix[4]将平板单极子天线阵元旋转对称放置，实现了方向图的全向覆盖。1966年，美国伊利诺伊大学的学者研究了Wullenweber阵列天线，制作了传统意义上的圆环相控阵天线，实现了水平方向的全向覆盖[5]。受限于科学技术发展水平的限制，在20世纪90年代左右共形天线才进入了高速发展的阶段。德国应用科学研究所于2006年研制出了球面共形天线微带阵列，它是由95个子阵组成，每个子阵包含3个圆极化微带天线单元[6]。同年，研究者采用分段平面法与椭圆柱面基底形成共形的设计方法，研制出了“ERAKO”共形天线[7]。2013年美国Kymeta公司与国际海事卫星组织研制了一款基于超材料的Ka频段低剖面相控阵天线，超材料的应用可以实现无移相器的电子波束扫描，与机体实现共形[8]，图1介绍了部分研究应用的发展历程。中国从1980年开始研究共形阵天线，1990年开始研究共形阵天线阵元，并取得了突破，21世纪开始研究共形相控阵天线，并完成了样机的制备。2012年珠海航展上公开展出了CS/RB1雷达，采用了圆柱共形相控阵设计，具备360°探测能力，工作在L波段，适合要地防空、快读投送中探测需求，可适用于各种运输机、直升机的空投需求。CS/RB1雷达的出现标志着中国共形相控阵雷达技术已从研究阶段走向正式应用。

共形天线在飞行器应用领域已取得了一定的进展，该技术有望改变传统飞机的设计理念，大幅度提升军事设备的探测能力、隐身能力等，具有重要的应用价值。随着飞机、导弹、卫星等航天器上的共形天线需求越发迫切，传统天线制造工艺已经无法满足天线小型化、曲面化、轻量化的制造要求。新型制造工艺如喷印、转印等工艺因其可进行大面积、低剖面天线的共形制造等特点，在飞行器共形天线制造领域颇受关注，与此相关的制造工艺、应用、性能等已经成为了当前天线研究领域的热点问题。飞行器共形天线的发展历程见图1。本文从共形天线的基本概念及优势、国内外发展状况、新型制造工艺、不同军事飞行器中的应用以及关键的技术问题等几个方面对共形天线技术进行了分析，并对其未来发展方向做了展望。

1 共形天线制造技术

飞行器表面共形天线制造涉及微纳功能结构在任意自由曲面上的集成工艺，常用的平面电子制造工艺例如光刻技术很难满足在曲面上制造电子电路，通常需要借助平面转曲面方法实现，即先将电子电路制备在平面柔性衬底上，再利用转印技术将平面电子贴附到曲面达到共形。然而，对于一些大曲率表面结构，为保证柔性基底与曲面紧密接触，需要将柔性基底切割成窄带状，这导致带状件之间横向互连尤为困难。本节介绍了共形天线新型制造工艺，重点介绍打印、转印工艺，解决直接在曲面上进行加工的难点，并简要介绍其他共形天线制造方法，例如激光直写成型技术、全息光刻技术、微流控技术以及丝网印刷技术等。

1.1 打印制造技术

打印工艺作为一种非接触式的印刷方式，减少了对基底形状结构的限制，同时无需制作掩模版等，工艺过程较为灵活[9-10]。挤出式打印借助精密流量泵实现微小墨滴在基底表面的精准沉积，结合多轴运动平台可以很好地在任意表面上进行共形直写，实现全向打印，是一种低成本、简便、环境友好型的打印方式，同时具有多材料、低温打印的特点，可适用于温敏基板的多种材料复合打印。Gao等[11]利用圆珠笔连接液态金属墨水存储器，直接在柔性的基底上直写印刷出液态金属电感电容器件和天线，如图2(a)所示。Park等[12-13]通过将修饰铂的碳纳米管均匀分散在液态金属基质中，开发了用作可拉伸互连材料的液态金属基复合材料，使用高分辨率打印机以挤出的方式将其打印可靠地形成1.9 μm的最小线宽，并且可以在保持原始分辨率的情况下将打印的图案重新配置为各种3D结构，如图2(b)所示。该重新配置可以执行多次，很好地用于可重构天线，该天线可通过更改几何形状或用作机械开关的可逆移动互连来进行调整。这种高可靠性、可重复、新颖的打印材料和打印方式代表了液态金属天线制造技术中的最新技术。图2(c)[14]展示了在3D半球形玻璃基板表面上共形直写制造天线，其带宽接近其尺寸的基本极限，比基本的单极子设计提高了近一个数量级。Wang等[15]将微滴喷涂直写与金属激光烧结后处理结合，可在非可展弯曲刚性基板上创建贴片阵列和分隔网络，制造了具有8个贴片、工作频率为13 GHz的球形共形承载天线阵列原型，通过测试证明了新型三维打印制造技术对该特殊共形承载天线阵列的适用性，如图2(d)所示。然而，挤出式打印工艺在打印过程中分辨率会受喷嘴尺寸的限制，打印容易遇到喷嘴堵塞的情况，通常只能兼容较低黏度的打印墨液。此外，由于沉积基底外形不规则、运动平台算法复杂等原因，当前曲面共形打印的速度通常不高。

图2 直写工艺制作共形天线Fig.2 Conformal antenna made by direct writing

喷墨打印过程是一种高效、非接触、非冲击、可按需制造的打印方法，将各种材料直接印刷分布到基板上，打印步骤简单，在室温下直接运行而无需特殊的打印环境。喷墨打印利用热泡法、压电或电流体喷印(Electro-Hydro Dynamics, EHD)3种工艺将不同体积和黏度的墨滴材料精准输送到平面或非平面基底上的所需位置，直接实现平面/曲面微纳结构的成形制造[9]。其中，EHD采用“拉”的方式进行打印，可打印的材料黏度在1～10 000 cP(1 cP=10-3Pa·s)范围内，远高于传统的喷墨印刷技术，能实现亚微米(<1 μm)打印分辨率，通过调整墨水流变性能、打印高度和施加电压可以实现3种打印技术——按需点喷、近场直写和雾化制膜，被视为下一代的喷墨打印技术。

Shin等[16]利用静电纺丝中自对准纳米射流在三维表面上进行高分辨率、无掩模打印功能纳米纤维的方法，可以在各种三维几何表面上精确印刷。图3(a)展示了他们自对准纳米射流打印过程和用印刷的纳米纤维作为三维表面上掩模进行石墨烯图案化制造。该三维自对准纳米射流静电纺丝工艺能很好地应用于任意曲面的共形天线制造。图3(b)[17]展示了Subbaraman等喷墨打印制造的相控阵天线，其中，天线元件和场效应晶体管等均利用喷墨印刷制成，同时可借助层压和通孔实现多层互连，打印出的天线的设计工作频率为5 GHz，用于由美国国家航空航天局(NASA)格伦研究中心赞助的火星通信。Li等[18]通过液滴扩散模型开发了一种基于阵列喷嘴的共形平面印刷技术，图3(c)展示了实际打印制造的共形天线。该技术可以在非可展曲面上制备导电图案，与采用单喷嘴的打印技术相比，极大地提高了打印的效率和精度，通过回波损耗的仿真和实验测试进一步验证了所提出的印刷方法的有效性和可行性。董必扬[19]利用自主研制的电喷印设备及电喷印软件系统，实现了任意曲面任意图案的自动化打印，利用电喷印工艺制备了曲面天线。

图3 喷墨打印制作共形天线Fig.3 Conformal antenna made by inkjet printing

气溶胶喷印是另一种材料沉积的技术，它使用气雾化液滴的气动聚焦将材料精确地沉积到基材上，即首先将功能性液体雾化成直径为2～5 μm 的液滴气雾云，雾化的液滴被气流夹带并输送到打印头，与此同时流动的鞘气将液滴聚焦到直径为10～100 μm的射流并喷射沉积到基材上。喷嘴的实际运动是通过多轴CNC (Computer Numerical Control)编程控制的。油墨图案一旦沉积，就会经历某种形式的后处理，包括烘烤、烧结或紫外线固化。气溶胶喷印的材料种类繁多、分辨率高、打印速度快且支持多种材料混合打印。气溶胶打印技术不仅可以直接沉积金属纳米粒子墨水，还能沉积种子层并辅以化学镀实现导电结构制造，可兼容的打印材料较为丰富，例如CNTs墨水、聚合物、粘合剂、陶瓷和生物活性物质，包括硅、聚酰亚胺、玻璃、氧化铝等。

图4(a)利用气溶胶喷印的方式，在平面和3D表面(例如飞机机翼或机身之间形成锐角的正交表面)上直接印刷共形传感器和天线[20]，应变仪传感器和嵌入式电路的共形电子系统也可直接印在机翼上；共形传感器和监视系统可以监视因缺少曲面传感器或电路而无法测量的结构或系统。图4(b)展示了通过使用银纳米墨水在19 mm陶瓷立方体的5个侧面上打印的20 mm宽的导线，从而可创建多种三维传感器结构[20]。图4(c)[21]为Paulsen等利用气溶胶喷印在无人机结构上印刷的电路、传感器和天线，除此之外，在刚性圆柱表面上也成功制备了工作性能良好的相控阵天线，如图4(d) 所示；Langford和Shina[22]利用气溶胶喷印制备包含结构、电介质、电阻器和导体材料的偶极天线阵列，它们全部集成在一起以形成低成本的射频(RF)系统。气溶胶喷印技术可以在不同形貌的表面上构建性能良好的结构与器件，但若想成为实用化技术，仍需突破一些瓶颈问题，如气溶胶打印效果受到基底表面平整度和后处理过程的影响，迄今为止鲜有报道可缓解气溶胶喷印中咖啡环效应的措施。

图4 气溶胶工艺制作共形天线Fig.4 Conformal antenna made by aerosol-jet-printing

1.2 转印制造技术

鉴于曲面微纳结构直接成形技术匮乏，目前科研人员多采用转印(Transfer Printing)技术来实现曲面电子、柔性电子的曲面制备[23]，用以实现微纳结构能以大规模平行的方式在异质基体间转移[24]。转印技术是利用施主基体完成导电薄膜(功能单元)的制作，借助柔性转印图章将功能结构转移至目标基板，具有工艺过程简单、成本低廉等优点，在柔性、共形透明天线集成方面具有广阔的应用前景。根据贴合面之间结合与剥离的不同控制策略，转印技术可分为：速率控制法、微结构法、表面改性法、牺牲层法、吸附法、水转印法等。

速率控制法常采用的柔性印章材料聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)为黏弹性聚合物，基于薄膜与柔性印章贴合面之间的能量释放率与贴合面之间剥离速率的相关性，Ahn等[25]设计了基于速率控制的转印方式，他们发现剥离速率越快，能量释放率越大。微结构法是指将柔性印章设计为具有特殊单元排布组成的微结构形式，通过在不同阶段施加不同的外载荷，达到使功能单元转移的效果。表面改性法是指通过表面杂化、激光诱导、紫外线照射、加热、等离子体处理等方式对施主基体、目标基体或其他实体进行表面改性[26]，使其达到更好的转印效果。吸附法是指利用真空或静电等方式制作吸盘，并借助机械手实现对柔性功能膜的拾取及贴合释放。杨思慧[27]提出了基于密集伸缩销、共形吸盘、点插值的转印方案，利用真空或静电吸附手段，实现柔性薄膜的曲面共形转印。水转印法是指将水溶性施主基体同功能单元浸入水中，借助溶解效应将功能单元浮于水表面，并转移至受主基体以实现微纳结构制造，常用施主基体为热敏塑料基体(如PVA)[28-29]。

近年来，利用转印工艺制作共形天线已有不少实质性探索，Saada等[28]通过水转印工艺在曲面上制作了近场通信(Near Field Communication，NFC)共形天线，将银纳米颗粒油墨喷墨印刷在水溶性聚乙烯醇薄膜上，通过将印刷的图案暴露于盐酸烟雾中来实现室温下的固化，得到如图5(a)[28]所示的12圈NFC 13.56 MHz天线，并成功与智能手机配对，该天线电阻率是银的17.1倍， 线宽为250 μm，因转印图案两面均导电而可以逐层重叠进行水转印制备多层电路结构。Wu等[30]利用Mini 2S/8转印机在半球形塑料衬底上制作了共形螺旋天线，当设定合适的速度(3～5 cm/s)和压力后，硅橡胶印章(直径11 cm，高度8 cm)自动将导电复合材料从二维天线转移到半球基板上。在150 ℃下固化15 min后，便可得到共形螺旋天线，其辐射效率为56%，如图5(b)所示[30]。Kim等[31]利用水转印技术，采用银纳米线制作了透明射频共形天线，将银纳米线网络制备在阳极氧化铝薄膜上并借助水进行分离，然后进行压缩来获得波浪状银纳米线，将压缩的纳米线网络转移到弹性PDMS基板上制备得到如图5(c)[31]所示的柔性RF天线，所得天线具有低电阻、良好的光学透明特性和变形测试中的性能稳定性。此外他们通过结合转印与光刻技术制作了二维蛇形图案网络的可拉伸偶极天线和贴片天线，即将涂有PDMS的硅片作为临时基板制作铜图案，利用水溶性胶带作为印章实现柔性可拉伸天线结构的转印集成，并仿真研究和实验验证了可拉伸天线的电磁特性，如图5(d)所示[32]。

图5 转印工艺制作共形天线Fig.5 Conformal antenna made by transfer printing process

1.3 其他制造技术

除了上述提到的打印、转印工艺之外，可用于共形天线制备的工艺还包括微流控技术、全息光刻技术、激光直写成型技术以及丝网印刷等。

图6(a)展示了Purvis等[33]利用全息掩膜在22 mm高的圆锥体表面制备出线宽约为66 μm的螺旋线型金属导线，区别于传统光刻技术，全息光刻无需复杂光学系统以及传统光学掩膜版，并且在非平面基底进行图案化时可有效消除衍射线展宽，在共形天线制造中受到广泛的关注。微流控技术通过构建低维沟道结构，精确控制微尺度流体在通道中以一定方式流动，Jobs等[34]提出一种利用微流控技术制备三维小型天线的方法，在黏弹性基底PDMS上搭建微流道并填充液态金属，再利用充气成型得到半球形共形天线，其原理如图6(b)所示。Huang等[35]利用液态金属制作了一种可拉伸、机械可调的柔性微流体天线，该天线在高达50%的拉伸应变下谐振频率和电磁性能仍保持稳定，如图6(c)所示。丝网印刷技术利用网版和印料，经刮印得到天线图案。胡建强等[36]利用丝网印刷技术，将导电银浆油墨印刷到聚酰亚胺薄膜基体上形成天线辐射层，经过高温处理后再经过常温冷却得到共形天线如图6(d)所示。激光加工直接通过激光照射将各种结构直接数字化地制造到曲线表面上，功能结构的所有特征尺寸都能借助计算机控制进行调整[37]，由于激光直接成形技术步骤少，加工过程中不确定性因素较少、精确性更高。Yang等[38]利用铝酸铜作为活化填料，用激光辐照涂覆在有机基底上的铝酸铜，通过化学镀形成金属图案，如图6(e)所示。

图6 其他制作工艺Fig.6 Other fabrication process

新型工艺不同于传统工艺中的剪裁、贴附等，拓宽了共形天线的制造方式，为制造飞行器大曲率共形天线结构提供了可能。1.2节中提到的工艺部分采用在平面柔性基底上加工的形式，将柔性天线共形贴附于曲面基底，对于大曲率基底，贴附柔性天线会出现结构上的褶皱等缺陷，打印技术可直接在基底表面进行高精度加工，对于一些特殊军事飞行器，如弹载小型化超宽带天线、透明网格高精度天线等提供了很好的技术支持。打印、转印以及其他技术工艺的优势和劣势见表1[11-28，31，33-37]。

表1 共形天线制造工艺比较Table 1 Pros and cons of different fabrication techniques

2 飞行器共形天线应用

随着航空航天领域飞机、导弹、卫星等各种飞行器技术的迅猛发展，以天线为代表的搭载无线通讯设备的集成要求不断提高。单个飞行器上的天线种类通常可高达几十种，由于安装体积受限，绝大多数天线只能安放在机身外部，配合天线罩一同使用。然而，刚性非共形天线凸出的结构会影响战机的气动性能，过大的雷达散射截面也不利于飞行器隐身[39]。共形天线可与飞行器表面通过间接的方式无缝贴合在一起，或以飞行器表面作为基底，通过打印等方式直接将天线制作于表面。与普通平面天线相比，共形天线具有低剖面、安装位置灵活、天线孔径大等优势，在先进飞行器应用方面有很大优势。

2.1 气动隐身一体化天线

军事作战飞机指直接作为武器平台实施发射或者投放的军用飞机[40]。随着军事作战机在无线通讯方面的需求日益增长，需要飞行器在任意飞行方向或者任意俯仰角内都能够收到地面控制站传来的信息[41]。传统飞行器天线系统结构复杂，在飞行器设备占据的空间较大，布置在飞行器外部的天线不可避免地加剧了机体的载荷和气动阻力，同时带来额外的雷达信号反射源，破坏了战机的隐身性[42-43]。为了有效利用机体内部空间，减小飞行过程中的空气阻力，机载共形天线要求具有低剖面、小型化、可集成于机体表面等特点。

为了满足作战飞行器的气动性需求，针对作战飞行器共形天线的小型化、低剖面等特点，王开华等[44]设计了一款宽波束低剖面无人机共形天线，采用新型L型单极子结构的微带天线，能够实现水平面的全向辐射，垂直面内的3 dBi波束宽度达197°。Patrovsky和Sekora[45]设计了一款可应用于无人机的低剖面环形缝隙天线，尽可能地减小天线结构对机体气动性能的影响。Jaeck等[46]结合激光直写成型技术或喷墨打印工艺制作了一种圆锥形低剖面3D阵列天线，每个天线单元的工作频率为5.2 GHz，天线阵的重量小于300 g，如图7(a)～图7(c)所示。Zhou等[47]设计了一种新型有源蒙皮天线结构，能够应用于军事作战飞机、军舰等结构表面。采用3D打印技术制作阵列天线框架，通过丝网印刷技术制作了32个微带天线阵单元，利用传统工艺将封装层、天线、RF组件等复合在一起形成蒙皮天线，新型工艺结合传统工艺能够简化复杂共形天线的制作过程并降低制作成本，见图7(d)。该共形天线阵的工作频率为5.8 GHz，最大增益约为21.2 dBi。

为了提高己方战机的生存能力和战斗能力，需要增强飞行器隐身能力，关键在于降低雷达散射截面积，即通过改变机身外形或借助吸波材料来缩减探测目标对雷达波的散射。在共形天线中引入超材料结构设计，通过对超材料单元反射相位的控制，能够使得反射波相互抵消，在降低RCS方面具有重要意义。Zhang等[48]将人造磁导体与电磁带隙超材料结构结合，使得该材料的部分反射波与其他金属的反射波相互抵消，实现天线部分的RCS缩减。2014年4月，英国BAE公司和伦敦大学玛丽女王学院的研究人员开发了一种可应用于无人机的超材料平面天线透镜，该天线可嵌入至飞机蒙皮，未来有望实现与机身共形，有助于推动天线的小型化发展趋势。该天线利用超材料的特性控制电磁波，大大拓宽传统材料应用于天线的宽带限制，不需要使用大型反射器或者曲面透镜，与传统共形天线具有相似效果。据NASA报道，F-18大黄蜂的机尾通过改进变身为机载通信天线合成孔径雷达，从而实现超材料智能蒙皮的共形设计。在机载智能蒙皮中，应用超材料技术可实现对电磁场的任意响应，极大地缩减天线尺寸，实现宽频天线的共形，极大地提高飞机的隐身性能、气动性能等。

2.2 超宽带窄波束天线

随着导弹技术的飞速发展，对于安装在导弹上天线的功能结构等方面的要求越来越高。传统的天线由于其结构的限制对导弹在飞行过程中有着不可忽略的影响，因此亟待将天线共形地集成到弹体表壳中。弹体表壳中的空间是有限的，若天线的带宽足够宽，则可以将多个天线的功能集成到同一个天线里完成。为了更好地实现导弹的功能，对于共形天线的超宽带方面提出了更为迫切的需求。贺友龙等[49]设计了一种超宽带弹载共形天线，采用对数槽线天线的形式, 如图8所示，天线面是由柔性印制板制成，厚度约0.5 mm， 天线面安装在吸收腔的外侧，其使用柔性印制板可以保证与吸收腔共形贴在一起。金属背腔是铣削而成的，材料使用铝材，形状为圆柱形，这样制作能够保证天线能够共形安装于弹体表面上。然后将7个天线均匀地安装在圆周弹体表面，实现天线的全向覆盖。李得东[50]设计制造了一款小型化超宽带共形天线，可以应用在导弹曲面基底上，通过仿真确定了共形至最大长度210 mm、宽度185 mm、厚度20 mm的流线型翼端结构，其制造工艺是通过激光工艺将对数周期天线振子共形印刷至流线型介质板上，介质板采用的是聚苯醚(PPO)材料。其设计的超宽带天线增益能达到水平面及俯仰面前向±45°，不小于-5 dBi[49-50]。Mohamadzade等[51]提出了一种具有单极辐射方向图的简单超宽带共形天线制造方法，天线的制造是从底部到顶部逐层制造完成的，2种不同的导电织物被用于天线的接插和接地部分，具有较高电导率的导电织物镍-铜-银涂层尼龙防撕裂材料被用作天线的贴片，具有较低电导率的导电织物镍-铜-银涂层尼龙防撕裂材料被用于接地，整体在侧面和高度上都很紧凑，所有天线部件(包括辐射器和接地层)均嵌入PDMS内，能够抵抗恶劣的环境。天线在2.85～8.6 GHz范围内实现了10 dB的回波损耗带宽，在整个频带内都保持单极辐射图。

图8 超宽带弹载共形天线[49]Fig.8 Ultra-wideband missile-borne conformal antenna[49]

当前制造弹载共形天线大多采用传统机械加工的方式，新型工艺如打印能够制造高精度图案，这在导引头复合制导模式中有很大应用前景。为了抑制不同制导装置间的信号干扰，降低导引头的散射截面积，同时兼顾其空气动力学的性能，可在导引头表面安装透明共形天线，内部空间留给其他传感器。导引头共形天线可以减小弹体体积及重量，实现对多个目标的快速准确跟踪，还可以提高抗干扰性和隐身性能，提高导弹的生存能力。为了进一步充分利用内部空间，当前研究渐渐转向了在光学仪器等表面制作透明共形天线，在不影响各元件的工作情况下实现通信功能。目前的研究主要是通过在柔性基底上制作透明天线共形于曲面基底上，如何在大曲率不可展曲面上直接制作共形透明天线是当下存在的一大难题。曲面电流体喷印技术可制作曲面高精度网格结构，结合湿法刻蚀工艺能够制作高性能透明共形天线，可用于军事航天通信天线应用。

2.3 大面积可展开、可重构天线

卫星通讯与其他通讯方式相比，不受地理条件的限制，通讯频带宽，性能稳定[52]。星载天线是卫星通讯系统的关键组成部件，当前随着信息组网面向地空天一体化的多维度发展，为满足星载天线多功能、多波段、大功率等发展需要，大口径、高精度天线的研究必不可少。柔性大面积可展开天线便为实现该目的提供了有效途径[53-54]，卫星发射之前将天线收缩，发射至轨道后展开，可大大节约天线所占空间，有效保护天线在发射过程中的结构稳定性。目前使用的大型星载可展开天线多为网格可展开天线，按支撑结构不同可分为伞状和桁架式可展开天线，该种天线反射面采用拼接方式组装成的柔性网面设计，其质量较轻，但由于受到柔性网面设计制造精度及连接点受力状况的影响，提高反射面精度、展开可靠性的难度较大。

基于肋板支撑的可展开网格天线研究相对较早，如嫦娥四号中继星伞状天线[55]、旋转释放天线结构[56]，如图9(a)～图9(b)所示，其重量较轻，但展开可靠性受到复杂运动的影响。薄膜可展开天线是近年来新提出的可展开天线形式，具有共形精度高、质量更轻、收缩比大、易于展开等诸多优点，然而薄膜天线的大口径设计仍然是一项挑战。形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer，SMP) 作为一种具有高可靠性和高精度的材料被应用于充气柔性可展开共形天线，此类天线一般通过将薄膜天线与基板面胶合形成空腔，通过泵入气体实现展开。

图9 桁架式可展开天线Fig.9 Schematic diagram of grid deployable antenna

图10(a)[57]展示了由NASA兰利研究中心设计的基于SMP的充气式可展开天线。Babuscia等[58]设计了一种锥形充气式天线，如图10(b)所示。该天线直径为1 m，在2.4 GHz下圆锥形天线的增益约为16 dB，具有较好的性能。充气式可展开天线具有存储体积小、重量轻的显著优点，但由于轨道上气体缓慢泄漏而需要气体补充系统，导致使用寿命缩短，而且充气天线很难在空间中的交变温度下保持所需的表面精度[56]。

图10 薄膜充气可展开天线Fig.10 Thin film inflatable deployable antenna

可重构天线是利用一个天线或天线阵列，通过改变其物理结构或自身形状，使其具有多个工作状态和工作模式，能够适用于高频卫星通讯、电子对抗、飞行器智能隐身蒙皮等多种领域[59]。可重构天线的形式主要包括方向图可重构天线、频率可重构天线、极化可重构天线、混合可重构天线等。Niroo-Jazi和Denidni等[60]设计了基于有源共形频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)的方向图可重构天线，如图11(a)所示。该天线工作频率为2.45 GHz，共形于圆柱表面，将偶极子馈源放在圆柱形FSS结构内部，其单元由非连续椭圆环与集成表面贴装PIN 二极管的短阵子组成，之后再将其弯曲成圆柱状，通过控制各列FSS单元的反射、透射特性可以在低增益全向和中等增益定向之间实现方向图重构。图11(b)为Saraswat和Harish[61]设计的一种离散频率可重构的柔性双频双极化共面波导(CPW)馈电单极子天线，将天线制作在柔性透明基板上以实现共形，并通过在CPW馈电单极天线中并入一个U形槽以实现双频特性，凭借所集成的PIN二极管，天线可以在更高频段实现离散频段的可重构性[62]。

就目前技术现状而言，多信息多传感器融合的导航技术更有希望完美解决掘进机的导航定位问题，如惯性导航技术与机器视觉技术组合或其他方式的多信息多传感融合技术等[14,17-20]。

图11 可重构天线Fig.11 Reconfigurable antenna

2.4 柔性共形天线

柔性共形天线作为无线通讯技术的重要组成部分，由于使用环境表面存在频繁的动态变化，要求天线应具有多种工作模式，可以随之切换不同的状态。随着以碳纳米管、导电薄膜、导电碳纤维、石墨烯为代表的导电新材料的出现[63]，天线导体选择上不再受限于金属材料，使得柔性天线的制备向着更轻量、更柔性、更耐受的方向发展。新型工艺如喷墨打印工艺、转印工艺等将天线制备从二维平面拓展到了三维曲面，更适应柔性共形天线在航空航天等领域的应用需求。

飞艇能部署平流层平台系统[64]，组建起大面积覆盖的多节点通信网络，相比卫星有着更低的海拔，很好地提供了地面和卫星通信域之间的集成，并能随时降落维护。共形天线能与飞艇外表面共形贴合，减少天线安装对飞艇气动布局的影响，并减小天线所占空间，且具有更大的扫描角度、更高效一体化集成等性能优点，提高雷达的探测距离。图12(a)展示了平流层浮空平台的主要组成部分，其天线阵面安装于飞艇底部鼓出的“弹丸”结构上[65]。图12(b)展示了带有螺旋天线阵列的飞艇的另一种共形天线安装方式[66]。螺旋天线适用于许多需要大带宽和圆极化的应用场景，能够较好地与飞艇的曲表面共形。该天线可以在800～1 200 MHz范围内工作，单元采用直径 12.5 cm 的双臂自补型阿基米德螺旋天线，安放在介质基板上共形于飞艇表面。Chaney等[67]在飞行器表面搭建混合柔性电子系统，通过将天线与传感器、IC(Integrated Circuit)组件集成到一个系统，组成共形承载天线结构，取代天线组件与飞行器结构分离的局面，利用喷墨打印工艺在柔性基底上打印天线及连接电子元件的导线，实现多功能系统耦合。柔性混合电子技术将印刷电子工艺与柔性集成电路组合，在提供高性能大面积柔性传感系统的同时，也实现了低能耗、轻量的目标，有望在飞行器以及其他航空航天领域得到广泛的应用与发展。

图12 柔性共形天线应用Fig.12 Application of flexible conformal antenna

3 关键技术问题

共形天线技术近些年来快速发展，在军民两用领域拥有着广阔的发展空间，飞机、飞艇、卫星、导弹、火箭等平台均向着优化天线设计、共形集成方面推进。目前对于共形天线的理论分析还不完善，需要依据一定的经验，制造工艺及材料技术并不是十分成熟，进入实际应用还需要大量的实验。以下总结了当前共形天线应用存在的问题，主要分为共形天线设计和工艺及材料2个部分。

3.1 共形天线设计

共形天线不同于平面天线，所处的周围环境如金属结构、介质环境等情况较为复杂。共形天线阵的综合包括阵元数目、阵元位置、馈电相位等。通常根据目标载体确定平面天线阵的间距，使得阵列的辐射特性满足要求，诸如增益、辐射方向、主瓣宽度等。对于曲面复杂载体，共形阵的波束形成分析比平面阵复杂很多，平面阵的阵列参数分析方法不再适用，因为阵元指向各异，不再满足方向图相乘原理[68]。此外，还需考虑每个阵元的极化方向，对于一个方向较大的交叉极化又会产生较大的极化损失[69]。天线阵元的综合可采用交错投影法、口径投影法、傅里叶法等，但其中每种算法都有一定的局限性，依赖于特定目标、经验等[70]，且软件的计算负载大，耗时长。基于电尺寸来分析，共形天线属于电小尺寸，载体属于电大尺寸，这给天线的电磁分析也带来了一定难度。分析复杂载体结构表面的共形天线可以采用有限元法[71]、自适应积分法[72]、体面积分方程[73]等方法。对于共形天线阵来说，天线阵元之间的间距过小时，天线阵元的耦合问题严重。天线阵元之间较大的耦合成度会降低天线特性，天线的增益、主瓣宽度等都会发生变化。对于飞行器来讲，耦合甚至会导致天线出现扫描盲区。因此，共形天线阵元的耦合抑制对天线性能十分重要[65, 74]。

3.2 工艺及材料

根据天线性能需求来选择合适的工艺，对于制作高性能飞行器天线具有重大的意义。当前共形天线的制造工艺仍存在一些局限性。与传统制造工艺相比，打印能够制造精度高、结构复杂、质量轻便的图案结构，但存在以下问题：① 效率不高，打印速度受到基底外形不规则程度、运动平台算法的影响；② 打印均匀性影响天线性能，材料喷射的打印方式由于出墨量较少，基底的表面光洁度会对打印效果(如导电性和绝缘性等)造成影响，为了得到稳定可靠的天线薄膜通常需要打印多层材料，成膜的均匀性将直接影响到天线的隐身性能；③ 打印材料的种类受到一定限制，飞行器长时间处于恶劣的工作环境中，需要导电性、稳定性高的材料，导电聚合物溶液、金属墨水可作为打印墨水，但其导电性不如金属薄膜高，金属材料铜、银等拥有优良的导电性，但其抗氧化、抗腐蚀技术还需进一步研究。当前共形天线打印制造领域亟需开发高导电性、耐腐蚀的表面涂层技术。Liu等[75]利用曲面电流体光刻技术，在镀有金膜的曲面结构上打印光刻胶，并进行图案化刻蚀，为大面积曲面微纳图案结构的高效制造提供了新的思路。Peng等[76]发现经甲酸钠溶液水热处理的铜箔整体抗氧化性能提升3个数量级以上，有望解决铜基共形天线的抗氧化、抗腐蚀能力弱的缺陷。

转印技术通过转印图章将材料从源基体转移至目标基体上，可实现大面积结构的转移。微纳功能结构先在施主基体表面制备，可以避免制造工艺过程对目标基体的材料限制及损伤。当前转印工艺主要存在以下几个问题：① 精度不高，针对共形天线的转印技术分辨率处于微米级，有待进一步解决纳米级转印技术难题[77]；② 功能材料与图章、基体无法有效分层，甚至破坏，在转移过程中，应当使功能材料与施主基体容易分离，在沉积过程中，应当使功能材料与印章容易剥离，涉及到界面剥离竞争问题。当前主要的解决方法是通过表面修饰，改变界面的黏附力来提高转印效率[78-79]。此外，激光加工对于承载电路图案的基底材料有耐受高温和活化的要求，限制了可选用的材料范围[37]，而当激光用于烧蚀时工艺过程较慢[80]。微流道工艺在批量生产过程中具有一定优势，但需制作模板，不适合小批量的快速加工[81]。全息光刻技术受限于基底形貌，工艺灵活性差、周期长，成型图案的精度和分辨率也较低[82]。

对于导弹、火箭等载体来说，共形天线还需要满足飞行过程中的耐高温、环境耐受性、雷电防护性等，当天线载体为飞行器外表面时，由于受到外界恶劣环境的影响及自身的振动，共形天线表面会发生变形，从而对天线的性能造成极大影响。为了确保天线能够正常工作，需要对天线的幅相位差进行校正，目前国内外使用打印、转印等工艺制造的共形天线还处于研究阶段，尚未对恶劣环境下的天线稳定性做出评估，关于由振动变形产生的影响和矫正方法的工作还未进行充分的深入研究[86]。

4 总结与展望

发展共形天线技术是未来先进飞行器的重要发展方向，是解决传统平面天线缺陷的重要途径。从各国的飞行器研究趋势来看，共形天线主要朝着低剖面、小型化、超宽带等方向发展。目前打印、转印等技术作为新兴产业，能够满足天线低成本、高精度的共形制造，实现军事航空设备的气动性、隐身性、小型化需求等，但是新型工艺在共形天线的制作效率、材料选择上有一定限制，且未充分验证共形天线的可靠性，如高温耐受性、机械强度等。也有部分学者致力于新材料的开发，如超材料、石墨烯等，研究这些材料能够拓宽共形天线的应用场景，提高天线综合性能等。

未来共形天线在飞行器领域应用总结如下：

1) 对于无人机、预警机等来说，机载共形天线能够大幅度降低天线结构对飞行器气动性和隐身性的影响，提高飞行器作战能力。

2) 从相关国家关于导弹上天线的研究方向来看，小型化、低剖面、超宽带的共形天线已经成为弹载天线的发展趋势，在实现导弹的小型化、智能化以及隐身需求方面有着非常广泛的应用。

3) 星载天线作为卫星通讯系统的关键部件之一，其展开面积、展开精度、展开稳定性等方面要求较高，为满足日益增长的通讯能力需要，同时为了降低所占空间和质量，星载天线正向着口径更大、精度更高、收纳比更大、重量更轻、多波段共用的方向发展，在此过程中应当克服材料、工艺、展开控制方式以及太空复杂环境等方面的挑战。

4) 柔性共形天线具有可伸展变形、低剖面、轻量的特点，在浮空器、飞艇、卫星可展开天线上具有广阔发展前景。

当前，国内外有关共形天线的研究愈发深入，共形天线的波束形成分析、共形阵天线的单元调控等还需要进一步的研究。尽管当前共形天线理论设计方面尚未形成完整的体系，新型制造工艺还有许多难点，但是共形天线的优势相较于传统平面天线十分明显，目前已成为各国军事航空领域天线研究的必然发展方向。