機載智能蒙皮天線技術的研究進展

吳 波 談 騰

（中電科蕪湖鉆石飛機制造有限公司，蕪湖 241000）

隨著現代戰斗機攻（空空彈、反隱身）防（隱身）能力的不斷提高，敵我雙方的戰機都希望通過網絡通信和機載雷達引導，在80km～100km之外對敵方實施攻擊，即“先敵發現，先敵攻擊”。傳統機載定向天線安裝于飛機表面，增大了戰斗機的外部特征信號，嚴重影響飛機的氣動性能和隱身性能；而機載“天飼饋”一般安裝在飛機的某個位置，不能實現飛機全方位的快速波束掃描。傳統機載天線已不適應現代化空戰的需求[1]。

智能蒙皮天線技術是近年來國外大力發展的機載天線技術。與傳統機載天線相比，智能蒙皮天線具有明顯的優勢。本文將從智能蒙皮天線技術的概念及優勢、國內外發展狀況、結構設計與材料選擇、關鍵技術等方面對智能蒙皮天線技術進行分析和研究。

1 智能蒙皮天線技術的概念及優勢

智能蒙皮技術由美國空軍于1985年提出，是指在航天器、軍艦、潛艇等裝備的外殼中植入探測元件、微處理系統和驅動元件，使得裝備的外殼既起到結構件的作用，又具有隱身、監視、預警和通信等電子功能。該技術涉及材料學、機械學、結構動力學、電子學、光電子學、神經網絡、控制學、計算機及制造工藝學等[2]學科和技術。

智能蒙皮天線技術也稱為可承載共形天線技術（Conformal loading-bearing antenna，CLBA），是智能蒙皮技術的一個具體應用。智能蒙皮天線技術是將與機身共形的天線或天線陣列集成到飛機的蒙皮中，使之既是結構件又起到電子設備的作用，天線和飛機機體表面結構無縫隙、光順地融合在一起，可消除傳統機載天線的諸多缺點[3]。

傳統機載天線一般凸出于戰機表面，通過機械打孔安裝在戰機機頭或其它位置，使得戰機雷達散射截面（Radar Cross-Section, RCS）變大，從而導致易被敵方雷達追蹤、戰機氣動性能下降、結構利用率低、戰機天線搜索范圍有限、電子對抗能力差等不利因素。智能蒙皮天線與戰機機身完美共形，無需打孔安裝，可避免傳統戰機存在的一系列缺陷，表1對傳統平面陣列天線與智能蒙皮天線進行了比較[4～5]。

2 機載智能蒙皮天線國內外發展情況

20世紀80年代末，法國國家航空空間研究院、湯姆遜無線電公司和達索電子公司將分布式機載雷達發射天線安裝在垂直安定面內，接收天線則安裝在飛機前緣內。1995年開始，法國推出了被稱為Amsar的英、德、法三國計劃，以及后來的“共形天線技術”（1998～2001年）計劃和“共形天線”前期研究計劃（1999～2002年）。20世紀90年代中期以來，國外飛機設計師和工程師一直在積極研究如何將飛機結構智能化和多功能化，使飛機結構從單一的承載和維形構件變成集承載、維形和電子通訊功能于一體的智能結構[6]。美國空軍研究實驗室實施了一項智能蒙皮結構技術演示計劃，致力于開發將一種多功能螺旋天線植入飛機機身承載蒙皮的共形承載天線結構新技術[7～8]。表2列出了美國研究智能蒙皮天線的主要機構及項目名稱[9]。

表1 傳統平面陣列與智能蒙皮天線的比較

表2 美國主要研究機構智能蒙皮天線項目

美國國家航空航天局（NASA）在F/A-18垂尾的頂端安裝了一個用于空空和空地通訊的智能蒙皮天線結構。飛行測試結果顯示，在低頻段，與傳統刀形天線相比，該天線的通訊信噪比提高了15dB～25dB，相當于通訊范圍提高了5倍，并獲得了更對稱的輻射方向圖，飛行器的重量也減輕了約113.4kg～453.6kg，天線安裝位置如圖1所示。美國國防預先研究計劃局（DARPA）2004年夏天啟動了“經濟型自適應共形電掃描雷達”（AACER）項目。該項目計劃開發一種遠程地面移動目標顯示/高分辨率合成孔徑雷達，用于美國陸軍使用的第Ⅳ級和蜂鳥戰術無人機，執行偵察、監視、目標采集及跟蹤任務。歐洲空中客車集團也正在研究開發將用于軍用衛星通訊系統和寬帶數據通訊系統的天線集成到無人機結構中的共形天線技術[10～11]。

3 智能蒙皮天線的結構設計與材料選擇

智能蒙皮天線結構將微帶陣列天線植入到蜂窩夾芯結構中，綜合考慮結構的力學性能和電性能，能夠同時實現結構承載和微波通訊的功能。智能蒙皮天線單元的基本結構如圖2所示。天線結構由外向內依次為外蒙皮、電子元件、介質板、夾芯層、承載層、屏蔽層，以及屏蔽托盤。天線的外表面為飛機的外蒙皮，起到保護天線內部電子元器件的作用。為避免表皮層對天線發射的電磁波的吸收，表皮的制備材料需選擇電磁波透過性好的材料，一般是玻璃纖維增強復合材料（GFRP）或石英纖維增強復合材料（QFRP），樹脂基體一般為環氧樹脂、氰酸酯樹脂，以及有機硅樹脂等。電子元件為天線，可以是圓形、矩形及螺旋形等；介質層材料選用聚四氟乙烯板、環氧板等；夾芯層選用介電性能優異的低密度紙蜂窩或泡沫板材，如Nomex紙蜂窩或丙烯酸泡沫板，為天線提供良好的剪切強度和壓縮強度；承載層選用碳纖維增強樹脂基復合材料制備而成，供天線面板承受軸向載荷；吸收層一般為添加介電損耗大的材料的泡沫板，用于吸收天線向工作相反方向的可能對戰機內部電子元件有害的電磁輻射；吸收盤層不起承載作用，僅起到放置吸收層的作用。在研制和使用過程中，設計人員可根據實際需要，在智能蒙皮天線基本結構的基礎上，對智能蒙皮天線結構進行相應調整。

4 機載智能蒙皮天線研究關鍵技術

智能蒙皮天線技術涉及材料、電子、結構等方面，高性能的智能蒙皮天線研究需要在各自研究的基礎上開展多領域合作研發。智能蒙皮天線研究的關鍵技術包括復合材料技術、結構集成技術、強度分析技術，以及電性能分析技術等。

4.1 復合材料技術

復合材料技術是智能蒙皮天線研究的基礎，具體研究內容包括復合材料選擇、新型高性能功能復合材料研發、復合材料成型方法及成型工藝研究等。

智能蒙皮天線是功能型復合材料結構件。天線外蒙皮除要滿足高強度、耐高溫和輕量化要求外，還要具有優異的電磁透過性能、較低的電磁吸收及反射率、較低的介電常數、較小的介電損耗角正切等；目前，尚無一種材料能夠同時滿足以上性能。制造智能蒙皮天線外蒙皮所用的材料包括增強纖維、樹脂基體及夾芯材料等。對于以上材料，要在加強開發新型材料的基礎上，對現有常用介電性能好的纖維進行改性；在篩選及研發新型樹脂基體的基礎上，通過在現有樹脂中摻雜人工介質進行改性，提高樹脂基體的介電性能；目前常用的芯材為介電性能優越的Nomex蜂窩材料。為制備高性能智能蒙皮天線，除加大力度開展新型材料的研制外，還應開展對現有復合材料的改性技術、成型技術、性能表征技術，以及質量控制技術等方面的研究。

4.2 結構集成技術

天線單元與基體材料性質不同，高分子基體的疏水性造成其與電子元件間的相容性差，膠接難度大。而耦合膠接的好壞直接影響到天線的電性能、微觀力學性能、壽命等。為解決二者相容性差的問題，Wang Zheyu等[12]選用聚二甲基硅氧烷作為介質層材料，將表面裹有薄層金屬的zylon超強纖維或kevlar纖維織入介質層，該工藝過程可制備任意形狀的介質天線。對制備的天線單元進行電性能測試發現，該天線與目前同形狀的常規天線電性能基本一致。天線單元可通過兩種方式集成到智能蒙皮結構中，一種是將天線單元嵌入到夾層結構中制成智能蒙皮天線。例如，西北工業大學的謝宗蕻團隊[11]將微帶陣列天線通過膠接植入到A夾層結構中。這種集成技術成型簡單，但在使用過程中在承力較大引起天線較大變形時，易造成天線單元的損壞。另一種是先將天線與介質層進行一次固化，使天線和介質層形成一個整體或通過將天線單元電沉積到介質層上形成整體，將含有天線單元的介質層作為智能蒙皮天線結構的一部分完成膠接成型，例如，蔡良元等[13]研制了一種新型航天器返回艙艙門共形天線，其由上下兩層介質基片及中間的金屬微帶貼片組成，上下兩層介質基片的材料、結構相同，均選用石英布增強4501A改性耐高溫雙馬來酰亞胺樹脂作為面板基材，選用WF110丙烯酸泡沫材料作為介質基片芯材，面板和泡沫夾芯之間使用環氧膠膜SY-14膠膜膠接。以上材料通過熱壓罐成型技術制備智能蒙皮天線的介質基片，具體工藝過程見圖3。介質基片制造完成后，將微帶天線與介質基片通過膠膜膠接固化制備智能蒙皮天線。李海洋等人為了解決蒙皮天線因結構變形而導致的電性能惡化問題，提出了一種嵌入光纖光柵的智能蒙皮天線結構，并利用模態分析和狀態空間理論，從少量光纖光柵測量的應變實時重構天線結構的變形位移場，通過研制的智能蒙皮天線結構變形實驗系統，驗證了變形位移場重構方法的有效性[14]。

在設計及制造智能蒙皮天線的過程中，要根據電磁波在不同介質層的傳播特性，合理設計各介質層厚度、芯材厚度及膠粘劑種類，需著重研究在結構集成過程中對天線性能影響較大的因素，主要包括膠層厚度、成型過程工藝參數等。

4.3 強度分析技術

智能蒙皮天線與戰機表面共形，天線最外層為戰機外蒙皮，在戰機飛行過程中，外蒙皮受到軸向載荷、彎曲、扭曲及振動等作用力。設計天線時，采用有限元分析軟件對天線進行建模，設計出滿足強度使用要求的天線結構。天線制備完成后，對天線進行宏觀和微觀力學性能測試。宏觀力學性能測試包括天線破壞形式、變形大小及破壞強度大小分析等，微觀力學分析包括天線破壞界面分析、裂紋擴展分析、破壞機理分析等。

C K Kim等[15]研究了沖擊載荷對智能蒙皮天線性能的影響。研究發現，承載層的剛性越大，智能蒙皮天線結構的耐穿透破壞性能越好，但破壞區域變大。當智能蒙皮天線結構受到沖擊時，首先，面層和蜂窩分層，接著是蜂窩塌陷，然后擴展到介質板。智能蒙皮天線受到的沖擊載荷增大時，天線的電性能就會下降，對于該團隊研制的智能蒙皮天線結構，在保證智能蒙皮天線性能的前提下，天線受到的最大沖擊能量在1.5J～1.75J之間。Lan Yao等[16]將天線單元埋入到三維織物中制備微帶天線。除平行于天線單元的X、Y方向外，在垂直于天線的Z方向將天線纏繞起來，與傳統天線相比，天線單元與介質板的剝離強度提高了150%。

4.4 電性能分析技術

電性能分析包括電性能仿真分析及電性能測試。電性能仿真分析是指在天線設計過程中，使用多種軟件對電性能進行仿真，例如：基于矩陣法的FEKO、IE3D、Ansoft Designer，基于有限元法的Ansoft HFSS、Ansys、Ansoft Maxwell等[17]，其中，Ansoft HFSS具有結構適應性好、適合求解介質、精度高、速度快等特點，是一種優異的電磁仿真軟件，可用于智能蒙皮天線的電性能分析。

電性能測試是表征智能蒙皮天線電性能是否滿足要求的標準，也是研究影響智能蒙皮天線性能因素的重要手段。李磊等[18]先將微帶陣列天線試件放在微波暗室中進行電性能測試，測試結果滿足電性能設計要求；將測試后的天線植入夾芯結構，通過熱壓罐一次固化成型，對成型后的多功能復合材料智能蒙皮天線制件進行電性能和力學性能測試。測試結果顯示，該智能蒙皮天線結構的力學性能和電性能均符合設計要求，而膠層對微帶陣列天線的輻射效率有很大影響，其能夠改變諧振頻率并降低天線收益，裸露天線的設計頻率必須綜合考慮結構的材料參數、幾何尺寸和電性能設計要求等因素。

研究人員可通過調整表皮的厚度或表皮與電子元件的距離來控制表皮層對電磁波的吸收（半波長的整數倍）。戴福洪等[19]設計并制備了一種共形承載一體化的埋微帶天線蜂窩夾層結構，研究了蜂窩層厚度對電性能和力學性能的影響。研究結果表明，蜂窩層厚度為8mm～14mm時，共形承載天線不僅具有高增益和低損耗，還具有較好的力學性能。

在智能蒙皮天線的制備過程中，膠接工藝直接影響天線力學性能和電性能。因此，必須保證膠接部位膠層均勻、無貧富膠或分層脫膠現象，無膠接要求部位保證層面潔凈，無流膠，防止膠接后頻點偏移，膠層直接涌向微帶陣列天線諧振頻率并降低天線收益，對天線的輻射效率影響很大。

5 結束語

智能蒙皮天線技術是一個新興的概念，所涉及的知識面很廣，發展潛力巨大，應用前景廣闊。盡管該技術目前仍有很多技術難點在探索中，也未形成完整的理論體系，但智能蒙皮天線理念所體現出來的優勢十分明顯。目前，國外智能蒙皮天線已進入裝機試驗階段，國內智能蒙皮天線技術的研究尚處于實驗室研究的起步階段，與國外差距較大。研發機載智能蒙皮需要與飛機結構設計、氣動設計、天線通訊設計、天線結構設計、復合材料設計制造等部門緊密合作，相信智能蒙皮必能在未來軍事應用中發揮巨大的作用。

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