共形陣天線是和物體外形保持一致的天線陣，將天線陣面與載體外形“共形”，增強(qiáng)了適應(yīng)性，相對于平面陣天線有很大的優(yōu)勢。在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，共形陣天線由于能夠與飛機(jī)、導(dǎo)彈以及衛(wèi)星等高速運行的載體平臺表面相共形，且并不破壞載體的外形結(jié)構(gòu)及空氣動力學(xué)等特性，成為天線領(lǐng)域的一個研究熱點，是新世紀(jì)相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展的一個重要方向。其中，柔性共形陣天線（后面重點介紹）是更先進(jìn)的一種共形陣天線技術(shù)，不僅可以和任意曲面共形，能夠隨著外形變化進(jìn)行動態(tài)調(diào)整適應(yīng)而且對于飛行器因氣動、冷熱等引起的振動和外形變化具有更好的適應(yīng)性。目前中國、美國、日本都在進(jìn)行相關(guān)研究，中國已經(jīng)研制成功采用圓柱陣的相控陣?yán)走_(dá)和直升機(jī)共形天線。

共形陣天線技術(shù)發(fā)展歷史

共形陣的研究實際上很早就開始了，上世紀(jì)30年代雷達(dá)剛剛出現(xiàn)的時候，科學(xué)家就開始對圓環(huán)陣、圓錐陣等特別形狀天線進(jìn)行研究，它們被視為共形陣的基礎(chǔ)和突破口。上世紀(jì)80年代以后，隨著信息革命的爆發(fā)，微電子技術(shù)迅速發(fā)展，一系列新器件、工藝的出現(xiàn)，為共形陣的運用打下了堅實的基礎(chǔ)，目前共形陣已經(jīng)開始部分實用，共形相控陣天線已經(jīng)運用到各種雷達(dá)，如地面、艦載、機(jī)載探測雷達(dá)，電子戰(zhàn)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等，運用領(lǐng)域也越來越廣泛。

共形天線已經(jīng)走入實用

共形陣天線技術(shù)特點

傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)天線一般采用線陣或者平面陣，它的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)比較簡單，技術(shù)處理比較容易，各方面理論比較成熟，因此費用、成本等較低，是目前相控陣?yán)走_(dá)廣泛使用的天線形式。不過平面相控陣天線也有自己一些先天的不足之處，限制它進(jìn)一步的發(fā)展。

決定雷達(dá)探測距離兩個參數(shù)：孔徑和功率。想提高雷達(dá)的探測距離，就必須提高雷達(dá)的孔徑，但是飛機(jī)上空間有限，難以找到較大的空間給平面陣，這樣共形陣就出現(xiàn)了，共形陣最大的特點就是能夠和載體表面共形，這樣的話，就可以有效的擴(kuò)展雷達(dá)天線的孔徑，相應(yīng)的也就提高雷達(dá)的探測距離，另外還可以實現(xiàn)對以前無法探測的區(qū)域，如作戰(zhàn)飛機(jī)的后部，進(jìn)行探測，擴(kuò)展探測范圍是共形陣另外一個優(yōu)點，它可以將平面相控陣正負(fù)60長的掃描限制，擴(kuò)展到半球乃至3/4球區(qū)域，并且在掃描過程中保證天線和雷達(dá)的性能不至有較大的下降。另外由于作戰(zhàn)飛機(jī)的機(jī)體內(nèi)不需要安裝雷達(dá)，那么機(jī)內(nèi)的空間可以用來安裝其他設(shè)備、燃料，從而增加飛機(jī)的載荷，讓機(jī)體內(nèi)有限的空間得到充分的利用，另外共形天線也有助于提高設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少體積和重量。

相比于平面陣天線，共形陣天線的分析與綜合更為復(fù)雜。一般地，對共形陣天線的綜合并不僅僅是對其方向圖的綜合，而且在設(shè)計的初始階段就要考慮共形陣列天線的形狀、陣列單元的形式以及其分布等問題。另外，在設(shè)計中還要考慮共形載體以及單元間互耦效應(yīng)對陣列以及陣列單元的諧振頻率、帶寬和極化等性能的影響。因此，共形陣列天線的設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題，對該問題很難有一個嚴(yán)格而精確的解決方法，通常采用數(shù)值分析方法進(jìn)行研究。目前，常用的數(shù)值分析方法主要有基于積分方程的矩量法（MOM）及其快速算法，基于微分方程的時域有限差分法（FDTD）和有限元法（FEM）等。然而，對共形陣天線矩量法的分析，通常是采用與載體平臺共形的坐標(biāo)系中的格林函數(shù)，這種方法的確很有用，但是對于復(fù)雜的平臺分析的難度很大。

圓柱陣是共形陣的基礎(chǔ)

我國對共形天線的研究

我國從上世紀(jì)7、80年代開始共形陣的研究，90年代著手共形陣天線陣元的研究，完成了樣機(jī)的研制，進(jìn)入新世紀(jì)開始進(jìn)行共形相控陣天線的研制，在2012年珠海航展上首次公開展出CS/RB1雷達(dá)，從相關(guān)圖片來看，它采用了圓柱共形相控陣設(shè)計，具備360度探測能力，工作在L波段，適合要低防空、快速投送以及反火力作戰(zhàn)，可用于探測敵方迫擊炮彈并定位其發(fā)射陣地，作為攔截和反擊火力武器系統(tǒng)的警戒與跟蹤雷達(dá)，也可用于校正己方迫擊炮的射擊；可人工攜帶，可適應(yīng)各種運輸機(jī)、直升機(jī)空投的要求，機(jī)動性強(qiáng)，操作、部署簡便，適合快速投送；在要地防空系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)各類低空目標(biāo)的探測任務(wù)。CS/RB1雷達(dá)的出現(xiàn)標(biāo)志著我國的共形相控陣雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)從實驗室走向部隊和國際市場。

我國研制的CS/RB1圓柱陣相控陣?yán)走_(dá)

國內(nèi)首款直升機(jī)共形天線研制成功

近日，中國航空工業(yè)集團(tuán)有限公司自主研制的首款直升機(jī)共形天線通過電性能摸底試驗，結(jié)果表明共形天線電性能測試結(jié)果符合預(yù)期，標(biāo)志著國內(nèi)首款直升機(jī)共性天線研制成功，將在國內(nèi)直升機(jī)型號中實現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用。

中國頂級雷達(dá)專家賁德院士座客衛(wèi)視，透露了14所正在研制一種科幻技術(shù)——機(jī)載共形陣?yán)走_(dá)，通俗地說叫“靈巧蒙皮”。

歐美國家對共形天線的研究

歐美等發(fā)達(dá)國家很早就認(rèn)識到共形陣天線的優(yōu)勢，但已有的共形陣天線應(yīng)用還僅是將共形陣陣面設(shè)計成既定形狀，如圓筒形或半球形，被動地適應(yīng)載體外形，多應(yīng)用于地面和艦載的雷達(dá)天線。而在飛行器上，由于使用環(huán)境復(fù)雜，共形陣的應(yīng)用面臨的技術(shù)難題更多。

美國空軍對“傳感器飛機(jī)”的機(jī)翼進(jìn)行風(fēng)動試驗

1960年美國海軍航空司令部開始著手研究用于飛機(jī)和導(dǎo)彈蒙皮上的共形相控陣天線，1973年美國研制了球形相控陣天線和圓環(huán)相控陣天線。

美海軍圓柱形共形陣可實現(xiàn)360°探測

根據(jù)相關(guān)資料：美國海軍協(xié)同交戰(zhàn)系統(tǒng)使用的艦載通信終端就采用了圓柱形共形相控陣天線，它由96條列饋組成，每條列饋上有10個陣元由微帶天線分配網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，前蘇聯(lián)曾經(jīng)研制成功有用圓柱形共形相控陣天線的空中交通控制雷達(dá)，它的最大探測距離可以達(dá)到400公里，可以實現(xiàn)360度探測，最多可以掌握100批目標(biāo)，美國也完成了采用光控的寬形共形相控陣天線的研制。

2004年美國空軍和雷神公司開始了X波段薄型相控陣?yán)走_(dá)的研究，而它采用的就是共形天線，歐洲的EADS也在研制一種為無人機(jī)用的兩維曲面電子掃描天線進(jìn)行測試。這種天線陣列不需要機(jī)械裝置，曲面天線陣列放置在機(jī)身表面，而是成為機(jī)體結(jié)構(gòu)的一部分。它不僅要收發(fā)電磁波，還要能夠經(jīng)受風(fēng)雨以及外物的沖擊。減少了體積和重量，提高了系統(tǒng)的可靠性。

美國空軍還曾支持多個共形陣天線項目，例如，在“結(jié)構(gòu)一體化X波段陣列”（SIXA）項目中，波音707飛機(jī)機(jī)翼上曾安裝過一個64單元的共形陣陣天線，長約6m；在“傳感器飛機(jī)共形低波段天線結(jié)構(gòu)”（S-CLAS）項目中，在飛機(jī)機(jī)翼的前緣安裝了有源相控陣列，用來進(jìn)行共形陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)試驗，通過自適應(yīng)處理手段可以克服機(jī)身的變形和機(jī)翼的抖動所帶來的影響。

上述兩個項目只是研究機(jī)翼彎曲對陣列性能的影響及彎曲補(bǔ)償技術(shù)，而最接近型號應(yīng)用的是在美國空軍“傳感器飛機(jī)”（SensorCraft）項目中專門為該機(jī)制造的尺寸3～6m的超高頻共形有源相控陣?yán)走_(dá)天線，并將它集成到機(jī)翼中進(jìn)行了風(fēng)洞試驗；另外還已制成0.37m2的X波段共形有源相控陣?yán)走_(dá)天線。

日本對共形天線的研究

日本在信息技術(shù)和微電子技術(shù)方面一直處于世界領(lǐng)先地位，這些技術(shù)積累為研究共形陣天線技術(shù)提供了堅實的基礎(chǔ)。日本原防衛(wèi)技術(shù)研究本部（現(xiàn)已整合到防衛(wèi)省裝備廳）的電子裝備研究所在2013年對外公布了其正在牽頭研發(fā)的柔性共形陣天線，在實用性方面具有很大的突破，解決了大部分共形陣天線所面臨的問題。

日本這個項目的研制目標(biāo)是面向未來航空裝備，用于取代機(jī)內(nèi)雷達(dá)天線，其實現(xiàn)的柔性共形陣天線技術(shù)主要實現(xiàn)了三點：天線可以任意角度彎曲；天線傳感器可以根據(jù)彎曲狀態(tài)檢測曲率，自動修正電磁波相位；通過對天線在彎曲狀態(tài)下與平面狀態(tài)下的增益效果進(jìn)行對比，驗證了自動修正電磁波的技術(shù)可行性。

柔性天線可以實現(xiàn)任意角度的彎曲

日本研制的這種天線上附有傳感器，可以檢測天線的彎曲曲率，通過計算曲率半徑得出各個元件的坐標(biāo)，然后自動調(diào)整各個元件的相位，形成指定方向的電磁波束。防衛(wèi)技術(shù)本部在微波暗室中對彎曲狀態(tài)的柔性共形陣天線的增益效果進(jìn)行了驗證，確認(rèn)在指定方向上形成了電磁波束，證明柔性共形陣天線對電磁波進(jìn)行修正是有效的。

試制的柔性共形陣天線在電波暗室內(nèi)進(jìn)行試驗，驗證自動修正電磁波的技術(shù)可行性

日本的這項柔性共形陣天線技術(shù)研究的目標(biāo)，就是針對現(xiàn)在的飛機(jī)設(shè)計中如果需要大口徑天線就必須使機(jī)頭的直徑較大，而柔性天線技術(shù)可以把天線安裝在飛機(jī)外部，和機(jī)身表面外形相匹配，取代機(jī)內(nèi)雷達(dá)天線，避免機(jī)內(nèi)熱管理和電磁兼容等問題。柔性共形陣天線能夠適應(yīng)任何曲面形狀，并且其柔性共形陣天線在構(gòu)造上輕薄、重量小，具有很好的搭載適應(yīng)性。這樣相對于固定形狀的共形天線，柔性共形天線使天線不需要再為適應(yīng)飛機(jī)外形而進(jìn)行專門設(shè)計，而且能夠適應(yīng)飛機(jī)氣動和熱脹冷縮的外形改變。

柔性天線測試結(jié)果(注：藍(lán)色為平面狀態(tài)紅色為未進(jìn)行電磁波修正綠色為進(jìn)行電磁波修正)

柔性共形陣天線技術(shù)新趨勢

柔性共形陣天線技術(shù)如果發(fā)展成熟，具有很廣泛的軍事用途，也將改變傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計理念，對于提高作戰(zhàn)系統(tǒng)的探測能力大有裨益，尤其在隱身航空裝備發(fā)展迅速的今天，更具有現(xiàn)實意義。

第一，柔性共形陣天線可以安裝在航空裝備不同曲率的表面，航空裝備可以設(shè)計成最優(yōu)的氣動外形，而無需為安裝天線陣面而付出額外的氣動代價。適合用于機(jī)翼變形比較大的大展弦比機(jī)翼的飛機(jī)，大型預(yù)警機(jī)可以充分利用機(jī)身表面積和大翼展布置天線，大幅提升探測能力，而不再需要額外背負(fù)“圓盤”或“平衡木”之類的機(jī)外天線；或者高空長航時無人偵察機(jī)，采用柔性共形陣天線可以實現(xiàn)大口徑雷達(dá)探測，滿足其廣域偵察能力需求。

第二，柔性共形陣天線可以不占用機(jī)內(nèi)空間，騰出的空間可以用來安裝其他設(shè)備、燃料，從而增加飛機(jī)的載荷，使機(jī)體內(nèi)有限的空間得到充分的利用，另外也有助于提高設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少體積和重量，有助于提高載機(jī)的機(jī)動性及戰(zhàn)場的生存能力。這對戰(zhàn)斗機(jī)或?qū)椫惖目臻g緊湊型航空裝備具有巨大優(yōu)勢，如果戰(zhàn)斗機(jī)能在機(jī)身表面集成共形陣天線取代機(jī)內(nèi)平面陣?yán)走_(dá)天線，可以將機(jī)頭空間留給其他更重要的機(jī)載設(shè)備，可以多載燃油增加航程，可以搭載更多的機(jī)載武器。雷達(dá)制導(dǎo)的導(dǎo)彈如果在表面安裝共形陣天線，可以降低了導(dǎo)引頭的尺寸和重量，彈體內(nèi)節(jié)省的空間可以安裝更大的戰(zhàn)斗部或攜帶更多的燃料，也可以大幅縮小彈體尺寸增加便攜性，提高機(jī)動性。

第三，柔性共形陣天線擴(kuò)大了可進(jìn)行態(tài)勢探測的平臺范圍。任何飛機(jī)都容易被改裝用于情報搜集，機(jī)翼、機(jī)門或機(jī)身都可以成為天線，任何有人駕駛飛機(jī)或無人機(jī)都可以執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)，而無需為適應(yīng)雷達(dá)天線而開發(fā)專門的監(jiān)視飛機(jī)。

第四，共形陣天線不僅可以用于雷達(dá)探測和通信，也可能提供新的電子戰(zhàn)作戰(zhàn)方式，極大地改善電子攻擊效能。利用大型共形陣的高功率孔徑積可以探測敵方的通信，可以對付許多X波段的雷達(dá)和大量短波通信。曾有專家設(shè)想用共形陣天線包裹導(dǎo)彈大小的無人作戰(zhàn)飛機(jī)，快速抵達(dá)敵方目標(biāo)附近，在近距離上產(chǎn)生具有毀傷作用的尖峰功率，從而對敵設(shè)施進(jìn)行電子攻擊。

綜合總結(jié)

雖然各國在共形陣取得了較大的突破，但是一些深層次問題仍舊沒有得到很好的解決，限制共形陣進(jìn)一步的發(fā)展，例如，共形陣一大難點就是要保證陣列所有單元有相同的方向圖、最大值指向和一致的極化取向，但是共形陣的各天線陣元并不在一個陣面上，因此共形陣的分析和工程實現(xiàn)難度非常大。共形陣掃描的時候，陣元工作的通斷切換和幅相加權(quán)變化多端，相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)功率分配、波束控制需要實時解決，另外共形陣中，不同位置陣元有各自的電環(huán)境，因此在天線工作的時候，如何解決有源輸入阻抗匹配是需要解決的關(guān)鍵問題，對飛機(jī)和導(dǎo)彈這樣的載體來說身振動和動態(tài)變形對于天線陣面還要較大的影響，需要在實用中加以解決。