何慶強¹ 王秉中² 何海丹¹

（1. 中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2. 電子科技大學(xué)應(yīng)用物理研究所，成都610054）

摘要：區(qū)別于傳統(tǒng)相控陣天線設(shè)計技術(shù)，本文探討了智能蒙皮天線新技術(shù)。給出了智能蒙皮天線的內(nèi)涵，提出了智能蒙皮天線的體系構(gòu)架。從未來新一代戰(zhàn)機的軍事需求和戰(zhàn)術(shù)性能入手，詳細地分析了智能蒙皮天線的封裝功能層、射頻功能層、以及控制與信號處理功能層的實現(xiàn)方式。針對新一代機載平臺的應(yīng)用需求，深入地研究了智能蒙皮天線的關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：智能蒙皮天線；體系構(gòu)架；可重構(gòu)；射頻隱身；健康檢測；功能維護

引言

傳統(tǒng)天線的設(shè)計方式很難再適應(yīng)新一代飛機作戰(zhàn)模式和功能的需求。最近幾年興起的共形承載天線（CLAS）能很好地解決機載平臺氣動/隱身的問題^[1]。然而，這種CLAS 僅僅考慮了與飛機蒙皮的共形設(shè)計和結(jié)構(gòu)力學(xué)的問題，在性能方面沒有實現(xiàn)天線的智能化。自二十世紀八十年代美國空軍提出智能蒙皮這項具有創(chuàng)新意識的新技術(shù)構(gòu)想之后，美國空軍、海軍等科研機構(gòu)都投入大量人力和物力進行可行性預(yù)研。在此基礎(chǔ)上，Baratault 和Josefsson 等人提出了未來智能蒙皮天線的設(shè)想^[2-3]，在繼承相控陣天線技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)備后端的控制與信號處理單元來實現(xiàn)天線波束的自適應(yīng)，然后這種方式實現(xiàn)天線的智能化是有限的。

本文提出了一個新的設(shè)計方法：天線的自適應(yīng)不僅可以依靠設(shè)備后端的控制與信號處理單元來完成，而且可以在射頻功能層實現(xiàn)輻射/散射特性可重構(gòu)，即在射頻功能層增加一維自由度。與傳統(tǒng)天線不一樣的是它不僅能實現(xiàn)設(shè)備和天線結(jié)構(gòu)的高度融合，而且能實現(xiàn)射頻功能層的電磁特性動態(tài)調(diào)控，突破了相控陣天線僅僅依靠后端的控制與信號處理單元來實現(xiàn)天線波束自適應(yīng)。本文從新一代戰(zhàn)機的軍事需求和戰(zhàn)術(shù)性能入手，詳細地論證了智能蒙皮天線的體系構(gòu)架，分析了智能蒙皮天線的封裝功能層、射頻功能層、以及控制與信號處理功能層的構(gòu)建方式，研究了智能蒙皮天線的關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)方法，為后期進一步研究智能蒙皮天線奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1、智能蒙皮天線體系構(gòu)架

智能蒙皮是指在航天器、軍艦或者潛艇的外殼中嵌入智能結(jié)構(gòu)，其中包含天線、微處理控制系統(tǒng)和驅(qū)動元件，可用于監(jiān)視、預(yù)警、隱身、通信、火控等。目前的研究方向主要是在航天器上的應(yīng)用。智能蒙皮天線的兩個特征是“蒙皮”和“智能”。“蒙皮”突出天線的共形和承載功能。“智能”突出天線的自適應(yīng)性，能夠根據(jù)外界的電磁環(huán)境產(chǎn)生所需要的輻射/散射特性。智能蒙皮天線要實現(xiàn)這些功能，就必須采用與載體表面共形的多層復(fù)合介電材料，在復(fù)合材料的預(yù)裝階段，在各層之間嵌入大量形狀各異或周期性放置的金屬貼片、傳感器、微機電系統(tǒng)（MEMS）、TR 電路、饋電網(wǎng)絡(luò)、傳動裝置、以及冷卻通道等，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多層共形陣列結(jié)構(gòu)。根據(jù)智能蒙皮天線的功能組成方式，可把智能蒙皮天線劃分為封裝功能層、射頻功能層、控制與信號處理功能層，如圖1 所示。

圖1、本文提出的智能蒙皮天線體系構(gòu)架

智能蒙皮天線的封裝功能層要實現(xiàn)三大功能：一是結(jié)構(gòu)承載功能，以滿足智能蒙皮天線在結(jié)構(gòu)強度、空氣動力學(xué)等方面的特殊要求，能起到防止氧化、衰減紫外線、防雨雪侵蝕、抵抗氣動載荷的作用；二是系統(tǒng)散熱功能，以保證功放芯片的正常工作；三是電磁防護功能，既包括對外來電磁攻擊的防護，也包括對系統(tǒng)內(nèi)部電磁干擾的防護。封裝功能層就像人的皮膚一樣^[4]，具有一定的自修復(fù)能力，能對破壞產(chǎn)生敏感和響應(yīng)。

人皮膚中的血管可根據(jù)來自神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信號攜帶抵抗感染的抗體到受傷部位，封裝功能層中的層埋傳感器可實時感知戰(zhàn)斗和其他事故引起的損傷，并重新向損傷區(qū)傳送信號，達到功能重組和天線智能化的目的。

智能蒙皮天線的射頻功能層可實現(xiàn)電磁信號輻射/散射特性可重構(gòu)，本文創(chuàng)新性地提出在射頻功能層采用動態(tài)調(diào)控技術(shù)，從而完美地實現(xiàn)射頻前端、信號處理終端、以及平臺一體化設(shè)計，達到電磁隱身、功能重構(gòu)、結(jié)構(gòu)仿生變形的自診斷、自修復(fù)、自適應(yīng)的目的。智能蒙皮天線與傳統(tǒng)天線的另一個區(qū)別就是撇去了傳統(tǒng)天線設(shè)計與飛機設(shè)計制造分離的模式，即在飛機設(shè)計制造期間，就將機載天饋系統(tǒng)相對分離的結(jié)構(gòu)、電磁獨立功能組件高度集成并與飛機結(jié)構(gòu)一體化成型，打破了傳統(tǒng)天線在飛機蒙皮上開孔安裝的局限，形成可與機載平臺結(jié)構(gòu)高度融合并直接承載環(huán)境載荷的一類新型天線。

智能蒙皮天線的控制與信號處理功能層通常由波束形成系統(tǒng)、控制與功能維護系統(tǒng)、康健監(jiān)測系統(tǒng)等組成。波束形成系統(tǒng)是蒙皮天線波束自適應(yīng)的重要組成部分，具備波束指向捷變與波束形狀捷變的能力?？刂婆c功能維護系統(tǒng)是對蒙皮天線系統(tǒng)的傳感器、驅(qū)動裝置、檢測元器件、微處理器、供電電源等進行控制，使整機系統(tǒng)能夠正常運作起來?？刂婆c功能維護系統(tǒng)通過對蒙皮天線的MEMS 進行控制，可使輻射單元具有電磁特性可重構(gòu)的能力，從而完成射頻功能層的電磁動態(tài)調(diào)控^[5]。健康檢測系統(tǒng)是指通過實時監(jiān)測智能蒙皮上的傳感器的信息，來判定整機系統(tǒng)是否正常工作。同時對戰(zhàn)斗損傷作出判斷、評估，把信息傳遞給控制與功能維護系統(tǒng)和波束形成系統(tǒng)，進行剩余資源的重新分配、組合，以及功能重構(gòu)，完成智能蒙皮天線的智能化。

2、關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)方法

2.1 智能蒙皮天線的分析與綜合

運用現(xiàn)有的電磁仿真和優(yōu)化方法對智能蒙皮天線進行電磁特性分析和綜合時，將會遇到很多困難，嚴重制約智能蒙皮天線研究的進展，急需在計算方法上進行創(chuàng)新。在智能蒙皮天線與機載平臺一體化的電磁分析方面，由于機載平臺-智能蒙皮天線的聯(lián)合仿真既是宏觀尺寸很大的電大電磁問題（機載平臺環(huán)境），又是微觀結(jié)構(gòu)非常精細的電磁問題（天線單元、饋電網(wǎng)絡(luò)），可采用兩種方式進行分析。第一種方式是采用漸進技術(shù)的一些算法，如多層快速多極子方法，一致性幾何繞射理論等。第二種方式是采用數(shù)值計算方法，如有限元-邊界積分法，時域有限差分法等。另一方面，可采用將全結(jié)構(gòu)化整為零，對各功能單元進行嚴格的電磁仿真，一方面使問題化小為可算問題，還可以進一步基于仿真數(shù)據(jù)建立各功能單元電磁特性的宏模型。只有基于高效高精度的單元宏模型，配合蒙皮陣列的系統(tǒng)分析和綜合方法，才能完成大尺度機載結(jié)構(gòu)與天線一體化的綜合優(yōu)化設(shè)計。

智能蒙皮天線的一個最為挑戰(zhàn)的問題就是方向圖的優(yōu)化。智能蒙皮天線與經(jīng)典的線/面陣天線的本質(zhì)區(qū)別在于載體曲率引入了單元指向和極化狀態(tài)的差異。輻射單元包含了天線的極化信息，這些輻射單元不會像平面陣列那樣組合成公共單元因子。因此，經(jīng)典的陣列綜合方法失效，可通過采用優(yōu)化算法（如交錯投影法、遺傳算法等）來獲得期望的輻射特性。

2.2 垂直互聯(lián)技術(shù)

高密度垂直互聯(lián)是智能蒙皮天線可實現(xiàn)性的核心技術(shù)，目前相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究較少，急需進行新材料和新技術(shù)的探索。因此，探索并研究高密度集成的智能蒙皮天線垂直互聯(lián)，并解決彎曲結(jié)構(gòu)狀態(tài)下互聯(lián)一致性的工藝成型問題極為關(guān)鍵。智能蒙皮天線是由射頻介質(zhì)材料、低頻電路介質(zhì)材料、填充材料等多種材質(zhì)組成的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，需要創(chuàng)新研究天線與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計中垂直互聯(lián)問題。從輻射單元設(shè)計來看，常見的方法有耦合饋電方式和探針饋電方式，天線基板材料可選擇為低溫共燒陶瓷（LTCC）和印制電路板材（PCB），常用的垂直互聯(lián)方式有槽-帶狀線方式、多層LTCC 的微帶-微帶方式、以及類同軸線聯(lián)接方式等。

TR 組件是智能蒙皮天線的重要部件，可分為磚塊式和瓦片式。磚塊式TR 組件子陣設(shè)計和制造工藝要求較低，該組件集成密度較低，散熱能力差，無法在智能蒙皮天線上得到應(yīng)用。瓦片式TR 組件具有優(yōu)良的散熱能力, 子陣集成度高，在降低TR 組件成本、減小體積尺寸、減輕設(shè)備重量方面具有優(yōu)勢，易于實現(xiàn)大規(guī)模共形陣列。瓦片式集成的子陣模塊采用分層結(jié)構(gòu)，將多個通道相同功能的芯片或電路集成在數(shù)個平行放置的瓦片上，通過采用倒裝芯片焊接方式實行垂直互聯(lián)。智能蒙皮天線的基本瓦片層包括GaAs 層/GaN 層、冷卻層、控制電路層、饋電層、以及驅(qū)動層，等。瓦片式子陣利用高密度組裝技術(shù)，大幅度減小了縱向高度、重量與成本，但是需要新穎的互聯(lián)技術(shù)，完成各層之間、子陣模塊與信號分配板之間的信號交換。可結(jié)合目前常用的LTCC 基板和多層聚合物電路基板，采用新工藝改善基板的平整度、加工精度、裝配精度、以及設(shè)計可靠性，來完成瓦片式TR 組件的垂直互聯(lián)設(shè)計。此外，還需要處理好毗鄰器件可能發(fā)生的耦合效應(yīng)、中間層熱設(shè)計、測試性、以及維修性設(shè)計，等。

2.3 射頻隱身技術(shù)

一直以來，人們都認為天線輻射特性和散射特性之間存在一定關(guān)系^[6]，卻很少有文獻研究這方面的問題?，F(xiàn)代的天線隱身技術(shù)強調(diào)RCS 的調(diào)控與戰(zhàn)術(shù)的配合，實現(xiàn)天線的低可觀測/低截獲概率（LO/LPI），以達到對天線系統(tǒng)RCS 在時域、空域和頻域上的有效管理。通常LO/LPI 技術(shù)都需要不斷加強天線罩、天線腔、天線設(shè)計的開發(fā)，以此作為共用子系統(tǒng)的交互元件，使帶內(nèi)、帶外RCS 更小。采用智能蒙皮天線技術(shù)，可有效取消飛行器上的外露天線，將其上的各種天線與機翼、機身蒙皮結(jié)合起來，甚至將若干分離的單功能天線綜合成多功能天線孔徑，可以有效地利用飛行器的表面積、減輕重量、降低飛行器氣動阻力，同時也極大地減少RCS 面積。可見，采用智能蒙皮天線是實現(xiàn)天線氣動/隱身設(shè)計的有效方案之一。

與傳統(tǒng)共形陣列概念不同的是，智能蒙皮不僅需要完成飛行器天線所有的工作任務(wù)，還要自適應(yīng)地逃避對方探測，實現(xiàn)對天線系統(tǒng)的隱身控制。也就是說，智能蒙皮天線不但從結(jié)構(gòu)方面有利于飛行器氣動/隱身一體化外形設(shè)計，而且更重要的是，它能夠自適應(yīng)地調(diào)控天線輻射/散射特性，包括：進行時域調(diào)控達到時域隱身、頻域調(diào)控達到頻域隱身、空域調(diào)控達到空域隱身，從而按需實時地重構(gòu)時域/空域/頻域散射特性，實現(xiàn)LO/LPI。傳統(tǒng)的天線隱身技術(shù)主要關(guān)注RCS 的降低，隨著當代電磁環(huán)境的日趨復(fù)雜和對抗的日益加劇，僅僅關(guān)注RCS 指標的傳統(tǒng)天線隱身技術(shù)已經(jīng)不能滿足良好的天線系統(tǒng)輻射/隱身雙重目標。天線必須保證自身電磁波的正常發(fā)射和接收，因此傳統(tǒng)的隱身措施不可能簡單地在實現(xiàn)天線LO/LPI 中獲得應(yīng)用，必須進行新技術(shù)的創(chuàng)新。采用輻射/散射特性可重構(gòu)技術(shù)，可很好地實現(xiàn)LO/LPI 的動態(tài)調(diào)控，達到智能蒙皮天線隱身設(shè)計的目的。

2.4 智能控制技術(shù)

智能控制通常包括電磁特性調(diào)控子系統(tǒng)、健康監(jiān)測子系統(tǒng)、功能維護子系統(tǒng)，通過對智能蒙皮天線系統(tǒng)中的傳感器、驅(qū)動裝置、微處理器、供電電源等進行控制，使系統(tǒng)能夠正常運作。

電磁特性調(diào)控子系統(tǒng)主要通過兩種方式實現(xiàn)。一是在射頻功能層中實現(xiàn)，通過射頻可重構(gòu)技術(shù)，用射頻開關(guān)直接調(diào)控射頻部分的輻射陣元或饋電網(wǎng)絡(luò)。二是在信號處理層中實現(xiàn)，通過向射頻功能層提供不同的輸入信號方案，達到對電磁特性的調(diào)控。

健康監(jiān)測子系統(tǒng)負責實時監(jiān)測智能蒙皮天線是否能健康工作，為了實現(xiàn)這一功能，需要在智能蒙皮天線中嵌入對各個部分狀態(tài)進行監(jiān)測的子系統(tǒng)，負責狀態(tài)感知、狀態(tài)信息傳輸、狀態(tài)信息分析等任務(wù)。通過實時監(jiān)測智能蒙皮上的傳感器的信息，來判定整個系統(tǒng)是否正常工作，并把判定結(jié)果傳遞給功能保護系統(tǒng)。如在智能蒙皮天線的封裝功能層內(nèi)埋置光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)與計算機相連，可對天線設(shè)備陣面各處應(yīng)力、溫度等諸多參量進行實時檢測；若再將計算機與執(zhí)行系統(tǒng)相連，則可動態(tài)調(diào)整封裝功能層的防護罩結(jié)構(gòu)，以獲得最佳的電氣性能。在天線電磁性能監(jiān)測方面，健康監(jiān)測系統(tǒng)必須包括信號的采集分析及控制信號的傳輸。具有有源收發(fā)模塊的智能蒙皮相控陣天線，可以采用一種內(nèi)置性能監(jiān)控與故障隔離校正（PM/FIC）系統(tǒng)進行監(jiān)測^[7]。

功能維護子系統(tǒng)提高了飛機的可用性，它能夠在健康監(jiān)測子系統(tǒng)報告部分單元損毀的情況下，通過功能維護子系統(tǒng)啟動備用單元或啟用備用算法，進行硬件補償或軟件補償，完成資源的重新分配、組合以及功能重構(gòu)，保障系統(tǒng)功能繼續(xù)正常發(fā)揮。例如，前面提及的PM/FIC 系統(tǒng)中，當健康監(jiān)測子系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障單元、完成故障隔離后，功能維護系統(tǒng)通過微處理器中的糾錯算法發(fā)送控制信號到波束形成單元、幅度控制器、以及指令譯碼器中以調(diào)整天線單元輻射信號的幅度及相位從而達到對系統(tǒng)功能的維護，該系統(tǒng)的糾錯算法主要采用的是旁瓣消除法。

2.5 熱設(shè)計技術(shù)

當飛行器高速運動時，高性能戰(zhàn)斗機的蒙皮表面溫度能達到200℃，而飛彈、火箭等載體的某些部位的蒙皮表面溫度能達到1000℃ 以上。

而層埋在智能蒙皮里的光纖尤其是砷化稼芯片只能承受低于145℃的溫度, 溫度超過120℃，電子設(shè)備就失效。因此，必須尋求一種方法，在熱量傳入埋在飛機蒙皮表面之下的射頻功能層以前就能將其散發(fā)。另一方面，從智能蒙皮內(nèi)部來看，高密集組裝已經(jīng)形成過熱危險，尤其是大功率毫米波相控陣天線，其內(nèi)部的熱耗高達幾百甚至上千瓦。因此，對于包含眾多TR 組件等有源單元的智能蒙皮天線，在采用三維多層集成電路時，系統(tǒng)散熱是一個必須在系統(tǒng)體系架構(gòu)規(guī)劃時就要解決好的問題。

電子設(shè)備熱設(shè)計是智能蒙皮天線可靠性設(shè)計的一項關(guān)鍵技術(shù)，熱設(shè)計的目的是要保證電子元器件及設(shè)備在規(guī)定的熱環(huán)境下，能安全正常地工作。從目前的設(shè)計方式上看，強迫風(fēng)冷和液體冷卻已經(jīng)在機載平臺上得到應(yīng)用。當機載平臺對冷卻系統(tǒng)的體積和重量要求不十分嚴格，且熱功率密度分布不高的條件下，強迫風(fēng)冷不失為一種好的選擇，它省去了液體冷卻系統(tǒng)的冷卻泵和動力源，較為簡潔、廉價。但在大多數(shù)情況下，尤其是毫米波頻段甚至更高頻段，高性能、高密度集成是智能蒙皮天線的一大特點，導(dǎo)致熱設(shè)計成為一個極難解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，直接在多功能芯片下面埋置液冷管道是可選的解決方案之一。從系統(tǒng)體系架構(gòu)角度考慮，散熱層應(yīng)該充分利用系統(tǒng)內(nèi)部未放置元器件的空間以盡量減小系統(tǒng)總體體積，并且達到使系統(tǒng)整體更穩(wěn)固的作用。從系統(tǒng)散熱性能及效率角度看，散熱層應(yīng)主要置于系統(tǒng)產(chǎn)熱較多芯片周圍，例如TR 組件功放芯片的下方，并且與熱源器件之間保持良好的熱傳導(dǎo)，以達到高效散熱效果。

3、結(jié)論

智能蒙皮天線的研究是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，國內(nèi)外相關(guān)報道較少。本文區(qū)別于傳統(tǒng)相控陣天線設(shè)計技術(shù)，提出了智能蒙皮天線的體系構(gòu)架和實現(xiàn)方法。并從未來新一代戰(zhàn)機的軍事需求和戰(zhàn)術(shù)性能入手，詳細地分析了智能蒙皮天線的封裝功能層、射頻功能層、以及控制與信號處理功能層的實現(xiàn)方式。針對新一代機載平臺的應(yīng)用需求，深入地研究了智能蒙皮天線的關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)技術(shù)。

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