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日本柔性共形阵天线技术的发展及应用

核心提示: 共形阵天线是和载体外形保持一致的天线阵,即将天线阵面与载体外形“共形”,增强了适应性,相对于平面阵天线有很大的优势。
共形阵天线是和载体外形保持一致的天线阵,即将天线阵面与载体外形“共形”,增强了适应性,相对于平面阵天线有很大的优势。其中,柔性共形阵天线是更先进的一种共形阵天线技术,不仅可以和任意曲面共形,能够随着外形变化进行动态调整适应而且对于w88官网器因气动、冷热等引起的振动和外形变化具有更好的适应性。 欧美国家对共形天线的研究 欧美等发达国家很早就认识到共形阵天线的优势,但已有的共形阵天线应用还仅是将共形阵阵面设计成既定形状,如圆筒形或半球形,被动地适应载体外形,多应用于地面和舰载的雷达天线。而在w88官网器上,由于使用环境复杂,共形阵的应用面临的技术难题更多。 微信图片_20170713110710 美国空军对“传感器飞机”的机翼进行风动试验。 美国空军曾支持多个共形阵天线项目,例如,在“结构一体化X波段阵列”(SIXA)项目中,波音707飞机机翼上曾安装过一个64单元的共形阵阵天线,长约6m;在“传感器飞机共形低波段天线结构”(S-CLAS)项目中,在飞机机翼的前缘安装了有源相控阵列,用来进行共形阵雷达系统试验,通过自适应处理手段可以克服机身的变形和机翼的抖动所带来的影响。 微信图片_20170713110828 上述两个项目只是研究机翼弯曲对阵列性能的影响及弯曲补偿技术,而最接近型号应用的是在美国空军“传感器飞机”(SensorCraft)项目中专门为该机制造的尺寸3~6m的超高频共形有源相控阵雷达天线,并将它集成到机翼中进行了风洞试验;另外还已制成0.37m2的X波段共形有源相控阵雷达天线。 这些项目中的天线阵列都是根据特定载体进行设计,利用飞机机翼较规则的平面,不能贴合任意曲面,不具有广泛的适用性,距离取代当前w88官网器中的机内雷达天线仍有一定差距。 日本对共形天线的研究 日本在信息技术和微电子技术方面一直处于世界领先地位,这些技术积累为研究共形阵天线技术提供了坚实的基础。日本原防卫技术研究本部(现已整合到防卫省装备厅)的电子装备研究所在2013年对外公布了其正在牵头研发的柔性共形阵天线,在实用性方面具有很大的突破,解决了大部分共形阵天线所面临的问题。 日本这个项目的研制目标是面向未来航空装备,用于取代机内雷达天线,其实现的柔性共形阵天线技术主要实现了三点:天线可以任意角度弯曲;天线传感器可以根据弯曲状态检测曲率,自动修正电磁波相位;通过对天线在弯曲状态下与平面状态下的增益效果进行对比,验证了自动修正电磁波的技术可行性。 微信图片_20170713110945 日本研制的这种天线上附有传感器,可以检测天线的弯曲曲率,通过计算曲率半径得出各个元件的坐标,然后自动调整各个元件的相位,形成指定方向的电磁波束。防卫技术本部在微波暗室中对弯曲状态的柔性共形阵天线的增益效果进行了验证,确认在指定方向上形成了电磁波束,证明柔性共形阵天线对电磁波进行修正是有效的。 日本的这项柔性共形阵天线技术研究的目标,就是针对现在的飞机设计中如果需要大口径天线就必须使机头的直径较大,而柔性天线技术可以把天线安装在飞机外部,和机身表面外形相匹配,取代机内雷达天线,避免机内热管理和电磁兼容等问题。柔性共形阵天线能够适应任何曲面形状,并且其柔性共形阵天线在构造上轻薄、重量小,具有很好的搭载适应性。这样相对于固定形状的共形天线,柔性共形天线使天线不需要再为适应飞机外形而进行专门设计,而且能够适应飞机气动和热胀冷缩的外形改变。 这种柔性共形阵天线技术如果发展成熟,具有很广泛的军事用途,也将改变传统飞机设计理念,对于提高作战系统的探测能力大有裨益,尤其在隐身航空装备发展迅速的今天,更具有现实意义。 首先,柔性共形阵天线可以安装在航空装备不同曲率的表面,航空装备可以设计成最优的气动外形,而无需为安装天线阵面而付出额外的气动代价。适合用于机翼变形比较大的大展弦比机翼的飞机,大型预警机可以充分利用机身表面积和大翼展布置天线,大幅提升探测能力,而不再需要额外背负“圆盘”或“平衡木”之类的机外天线;或者高空长航时无人侦察机,采用柔性共形阵天线可以实现大口径雷达探测,满足其广域侦察能力需求。 其次,柔性共形阵天线可以不占用机内空间,腾出的空间可以用来安装其他设备、燃料,从而增加飞机的载荷,使机体内有限的空间得到充分的利用,另外也有助于提高设备的结构强度,减少体积和重量,有助于提高载机的机动性及战场的生存能力。这对战斗机或导弹之类的空间紧凑型航空装备具有巨大优势,如果战斗机能在机身表面集成共形阵天线取代机内平面阵雷达天线,可以将机头空间留给其他更重要的机载设备,可以多载燃油增加航程,可以搭载更多的机载武器。雷达制导的导弹如果在表面安装共形阵天线,可以降低了导引头的尺寸和重量,弹体内节省的空间可以安装更大的战斗部或携带更多的燃料,也可以大幅缩小弹体尺寸增加便携性,提高机动性。 第三,柔性共形阵天线扩大了可进行态势探测的平台范围。任何飞机都容易被改装用于情报搜集,机翼、机门或机身都可以成为天线,任何有人驾驶飞机或无人机都可以执行监视任务,而无需为适应雷达天线而开发专门的监视飞机。 第四,共形阵天线不仅可以用于雷达探测和通信,也可能提供新的电子战作战方式,极大地改善电子攻击效能。利用大型共形阵的高功率孔径积可以探测敌方的通信,可以对付许多X波段的雷达和大量短波通信。曾有专家设想用共形阵天线包裹导弹大小的无人作战飞机,快速抵达敌方目标附近,在近距离上产生具有毁伤作用的尖峰功率,从而对敌设施进行电子攻击。     (作者:姜廷昀
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