相控阵天线的进化 ---- 共形阵天线技术

电子万花筒 2021-09-25 07:39
电子万花筒平台核心服务

 中国最活跃的射频微波天线雷达微信技术群

电子猎头:帮助电子工程师实现人生价值! 

电子元器件:价格比您现有供应商最少降低10%

射频微波天线新产品新技术发布平台:让更多优秀的国产射频微波产品得到最好的宣传!发布产品欢迎联系管理,专刊发布!强力曝光!


共形阵天线是和物体外形保持一致的天线阵,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。在现代无线通信系统中,共形阵天线由于能够与飞机、导弹以及卫星等高速运行的载体平台表面相共形,且并不破坏载体的外形结构及空气动力学等特性,成为天线领域的一个研究热点,是新世纪相控阵雷达发展的一个重要方向。其中,柔性共形阵天线(后面重点介绍)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飞行器因气动、冷热等引起的振动和外形变化具有更好的适应性。目前中国、美国、日本都在进行相关研究,中国已经研制成功采用圆柱阵的相控阵雷达和直升机共形天线。

共形阵天线技术发展历史

共形阵的研究实际上很早就开始了,上世纪30年代雷达刚刚出现的时候,科学家就开始对圆环阵、圆锥阵等特别形状天线进行研究,它们被视为共形阵的基础和突破口。上世纪80年代以后,随着信息革命的爆发,微电子技术迅速发展,一系列新器件、工艺的出现,为共形阵的运用打下了坚实的基础,目前共形阵已经开始部分实用,共形相控阵天线已经运用到各种雷达,如地面、舰载、机载探测雷达,电子 战系统、通信系统等,运用领域也越来越广泛。



形阵天线技术特点

传统的相控阵雷达天线一般采用线阵或者平面阵,它的优点就是结构比较简单,技术处理比较容易,各方面理论比较成熟,因此费用、成本等较低,是目前相控阵雷达广泛使用的天线形式。不过平面相控阵天线也有自己一些先天的不足之处,限制它进一步的发展。

决定雷达探测距离两个参数:孔径和功率。想提高雷达的探测距离,就必须提高雷达的孔径,但是飞机上空间有限,难以找到较大的空间给平面阵,这样共形阵就出现了,共形阵最大的特点就是能够和载体表面共形,这样的话,就可以有效的扩展雷达天线的孔径,相应的也就提高雷达的探测距离,另外还可以实现对以前无法探测的区域,如作战飞机的后部,进行探测,扩展探测范围是共形阵另外一个优点,它可以将平面相控阵正负60长的扫描限制,扩展到半球乃至3/4球区域,并且在扫描过程中保证天线和雷达的性能不至有较大的下降。另外由于作战飞机的机体内不需要安装雷达,那么机内的空间可以用来安装其他设备、燃料,从而增加飞机的载荷,让机体内有限的空间得到充分的利用,另外共形天线也有助于提高设备的结构强度,减少体积和重量。

相比于平面阵天线,共形阵天线的分析与综合更为复杂。一般地,对共形阵天线的综合并不仅仅是对其方向图的综合,而且在设计的初始阶段就要考虑共形阵列天线的形状、阵列单元的形式以及其分布等问题。另外,在设计中还要考虑共形载体以及单元间互耦效应对阵列以及阵列单元的谐振频率、带宽和极化等性能的影响。因此,共形阵列天线的设计是一个复杂的系统问题,对该问题很难有一个严格而精确的解决方法,通常采用数值分析方法进行研究。目前,常用的数值分析方法主要有基于积分方程的矩量法(MOM)及其快速算法,基于微分方程的时域有限差分法(FDTD)和有限元法(FEM)等。然而,对共形阵天线矩量法的分析,通常是采用与载体平台共形的坐标系中的格林函数,这种方法的确很有用,但是对于复杂的平台分析的难度很大。

圆柱阵是共形阵的基础


我国对共形天线的研究

我国从上世纪7、80年代开始共形阵的研究,90年代着手共形阵天线阵元的研究,完成了样机的研制,进入新世纪开始进行共形相控阵天线的研制,在2012年珠海航展上首次公开展出CS/RB1雷达,从相关图片来看,它采用了圆柱共形相控阵设计,具备360度探测能力,工作在L波段,适合要低防空、快速投送以及反火力作战,可用于探测敌方迫击炮弹并定位其发射阵地,作为拦截和反击火力武器系统的警戒与跟踪雷达,也可用于校正己方迫击炮的射击;可人工携带,可适应各种运输机、直升机空投的要求,机动性强,操作、部署简便,适合快速投送;在要地防空系统中担负各类低空目标的探测任务。CS/RB1雷达的出现标志着我国的共形相控阵雷达技术已经从实验室走向部队和国际市场。

我国研制的CS/RB1圆柱阵相控阵雷达

导弹共形示意图

国内首款直升机共形天线研制成功

近日,中国航空工业集团有限公司自主研制的首款直升机共形天线通过电性能摸底试验,结果表明共形天线电性能测试结果符合预期,标志着国内首款直升机共性天线研制成功,将在国内直升机型号中实现装机应用。

中国顶级雷达专家贲德院士座客卫视,透露了14所正在研制一种科幻技术——机载共形阵雷达,通俗地说叫“灵巧蒙皮”。

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。而在飞行器上,由于使用环境复杂,共形阵的应用面临的技术难题更多。

美国空军对“传感器飞机”的机翼进行风动试验

1960年美国海军航空司令部开始着手研究用于飞机和导弹蒙皮上的共形相控阵天线,1973年美国研制了球形相控阵天线和圆环相控阵天线。

美海军圆柱形共形阵可实现360°探测

根据相关资料:美国海军协同交战系统使用的舰载通信终端就采用了圆柱形共形相控阵天线,它由 96条列馈组成,每条列馈上有10个阵元由微带天线分配网络相联,前苏联曾经研制成功有用圆柱形共形相控阵天线的空中交通控制雷达,它的最大探测距离可以 达到400公里,可以实现360度探测,最多可以掌握100批目标,美国也完成了采用光控的宽形共形相控阵天线的研制。

2004年美国空军和雷神公司开始 了X波段薄型相控阵雷达的研究,而它采用的就是共形天线,欧洲的EADS也在研制一种为无人机用的两维曲面电子扫描天线进行测试。这种天线阵列不需要机械装置,曲面天线阵列放置在机身表面,而是成为机体结构的一部分。它不仅要收发电磁波,还要能够经受风雨以及外物的冲击。减少了体积和重量,提高了系统的可靠性。

美国空军还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。

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。

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。

柔性天线可以实现任意角度的弯曲

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。

试制的柔性共形阵天线在电波暗室内进行试验,验证自动修正电磁波的技术可行性

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。

柔性天线测试结果(注:蓝色为平面状态红色为未进行电磁波修正绿色为进行电磁波修正)

柔性共形阵天线技术新趋势

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。

第一,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。

第二,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。

综合总结

虽然各国在共形阵取得了较大的突破,但是一些深层次问题仍旧没有得到很好的解决,限制共形阵 进一步的发展,例如,共形阵一大难点就是要保证阵列所有单元有相同的方向图、最大值指向和一致的极化取向,但是共形阵的各天线阵元并不在一个阵面上,因此 共形阵的分析和工程实现难度非常大。共形阵扫描的时候,阵元工作的通断切换和幅相加权变化多端,相应的馈电网络功率分配、波束控制需要实时解决,另外共形 阵中,不同位置阵元有各自的电环境,因此在天线工作的时候,如何解决有源输入阻抗匹配是需要解决的关键问题,对飞机和导弹这样的载体来说身振动和动态变形对于天线阵面还要较大的影响,需要在实用中加以解决。

欢迎射频微波雷达通信工程师关注公众号



中国最纯粹的射频微波雷达通信工程师微信技术群,欢迎您的加入,来这里一起交流和讨论技术吧!进群记得备注方向和公司名称哦,我们将邀请您进细分群!

用手指按住就可以加入微信技术群哦!



电子万花筒平台自营:Xilinx ALTERA ADI TI ST NXP 镁光 三星 海力士内存芯片 等百余品牌的电子元器件,可接受BOM清单,缺料,冷门,停产,以及国外对华禁运器件业务!


欢迎大家有需求随时发型号清单,我们将在第一时间给您呈上最好的报价,微信(QQ同号):1051197468 也希望您把我们的微信推荐给采购同事,感谢对平台的支持与信任!


与我们合作,您的器件采购成本将相比原有供应商降低10%以上!!不信?那您就来试试吧!!欢迎来撩!!




电子万花筒 电子万花筒,每个电子工程师都在关注的综合型技术与行业服务平台!
评论
  • 大模型的赋能是指利用大型机器学习模型(如深度学习模型)来增强或改进各种应用和服务。这种技术在许多领域都显示出了巨大的潜力,包括但不限于以下几个方面: 1. 企业服务:大模型可以用于构建智能客服系统、知识库问答系统等,提升企业的服务质量和运营效率。 2. 教育服务:在教育领域,大模型被应用于个性化学习、智能辅导、作业批改等,帮助教师减轻工作负担,提高教学质量。 3. 工业智能化:大模型有助于解决工业领域的复杂性和不确定性问题,尽管在认知能力方面尚未完全具备专家级的复杂决策能力。 4. 消费
    丙丁先生 2025-01-07 09:25 80浏览
  • 根据环洋市场咨询(Global Info Research)项目团队最新调研,预计2030年全球无人机锂电池产值达到2457百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为9.6%。 无人机锂电池是无人机动力系统中存储并释放能量的部分。无人机使用的动力电池,大多数是锂聚合物电池,相较其他电池,锂聚合物电池具有较高的能量密度,较长寿命,同时也具有良好的放电特性和安全性。 全球无人机锂电池核心厂商有宁德新能源科技、欣旺达、鹏辉能源、深圳格瑞普和EaglePicher等,前五大厂商占有全球
    GIRtina 2025-01-07 11:02 63浏览
  • 自动化已成为现代制造业的基石,而驱动隔离器作为关键组件,在提升效率、精度和可靠性方面起到了不可或缺的作用。随着工业技术不断革新,驱动隔离器正助力自动化生产设备适应新兴趋势,并推动行业未来的发展。本文将探讨自动化的核心趋势及驱动隔离器在其中的重要角色。自动化领域的新兴趋势智能工厂的崛起智能工厂已成为自动化生产的新标杆。通过结合物联网(IoT)、人工智能(AI)和机器学习(ML),智能工厂实现了实时监控和动态决策。驱动隔离器在其中至关重要,它确保了传感器、执行器和控制单元之间的信号完整性,同时提供高
    腾恩科技-彭工 2025-01-03 16:28 170浏览
  • 随着市场需求不断的变化,各行各业对CPU的要求越来越高,特别是近几年流行的 AIOT,为了有更好的用户体验,CPU的算力就要求更高了。今天为大家推荐由米尔基于瑞芯微RK3576处理器推出的MYC-LR3576核心板及开发板。关于RK3576处理器国产CPU,是这些年的骄傲,华为手机全国产化,国人一片呼声,再也不用卡脖子了。RK3576处理器,就是一款由国产是厂商瑞芯微,今年第二季推出的全新通用型的高性能SOC芯片,这款CPU到底有多么的高性能,下面看看它的几个特性:8核心6 TOPS超强算力双千
    米尔电子嵌入式 2025-01-03 17:04 55浏览
  • 这篇内容主要讨论三个基本问题,硅电容是什么,为什么要使用硅电容,如何正确使用硅电容?1.  硅电容是什么首先我们需要了解电容是什么?物理学上电容的概念指的是给定电位差下自由电荷的储藏量,记为C,单位是F,指的是容纳电荷的能力,C=εS/d=ε0εrS/4πkd(真空)=Q/U。百度百科上电容器的概念指的是两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质。通过观察电容本身的定义公式中可以看到,在各个变量中比较能够改变的就是εr,S和d,也就是介质的介电常数,金属板有效相对面积以及距离。当前
    知白 2025-01-06 12:04 167浏览
  • 在智能家居领域中,Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、Thread与Z-Wave等无线通信协议是构建短距物联局域网的关键手段,它们常在实际应用中交叉运用,以满足智能家居生态系统多样化的功能需求。然而,这些协议之间并未遵循统一的互通标准,缺乏直接的互操作性,在进行组网时需要引入额外的网关作为“翻译桥梁”,极大地增加了系统的复杂性。 同时,Apple HomeKit、SamSung SmartThings、Amazon Alexa、Google Home等主流智能家居平台为了提升市占率与消费者
    华普微HOPERF 2025-01-06 17:23 141浏览
  • 每日可见的315MHz和433MHz遥控模块,你能分清楚吗?众所周知,一套遥控设备主要由发射部分和接收部分组成,发射器可以将控制者的控制按键经过编码,调制到射频信号上面,然后经天线发射出无线信号。而接收器是将天线接收到的无线信号进行解码,从而得到与控制按键相对应的信号,然后再去控制相应的设备工作。当前,常见的遥控设备主要分为红外遥控与无线电遥控两大类,其主要区别为所采用的载波频率及其应用场景不一致。红外遥控设备所采用的射频信号频率一般为38kHz,通常应用在电视、投影仪等设备中;而无线电遥控设备
    华普微HOPERF 2025-01-06 15:29 125浏览
  •     为控制片内设备并且查询其工作状态,MCU内部总是有一组特殊功能寄存器(SFR,Special Function Register)。    使用Eclipse环境调试MCU程序时,可以利用 Peripheral Registers Viewer来查看SFR。这个小工具是怎样知道某个型号的MCU有怎样的寄存器定义呢?它使用一种描述性的文本文件——SVD文件。这个文件存储在下面红色字体的路径下。    例:南京沁恒  &n
    电子知识打边炉 2025-01-04 20:04 100浏览
  • 本文介绍Linux系统更换开机logo方法教程,通用RK3566、RK3568、RK3588、RK3576等开发板,触觉智能RK3562开发板演示,搭载4核A53处理器,主频高达2.0GHz;内置独立1Tops算力NPU,可应用于物联网网关、平板电脑、智能家居、教育电子、工业显示与控制等行业。制作图片开机logo图片制作注意事项(1)图片必须为bmp格式;(2)图片大小不能大于4MB;(3)BMP位深最大是32,建议设置为8;(4)图片名称为logo.bmp和logo_kernel.bmp;开机
    Industio_触觉智能 2025-01-06 10:43 87浏览
  • 根据Global Info Research项目团队最新调研,预计2030年全球封闭式电机产值达到1425百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为3.4%。 封闭式电机是一种电动机,其外壳设计为密闭结构,通常用于要求较高的防护等级的应用场合。封闭式电机可以有效防止外部灰尘、水分和其他污染物进入内部,从而保护电机的内部组件,延长其使用寿命。 环洋市场咨询机构出版的调研分析报告【全球封闭式电机行业总体规模、主要厂商及IPO上市调研报告,2025-2031】研究全球封闭式电机总体规
    GIRtina 2025-01-06 11:10 103浏览
  • PLC组态方式主要有三种,每种都有其独特的特点和适用场景。下面来简单说说: 1. 硬件组态   定义:硬件组态指的是选择适合的PLC型号、I/O模块、通信模块等硬件组件,并按照实际需求进行连接和配置。    灵活性:这种方式允许用户根据项目需求自由搭配硬件组件,具有较高的灵活性。    成本:可能需要额外的硬件购买成本,适用于对系统性能和扩展性有较高要求的场合。 2. 软件组态   定义:软件组态主要是通过PLC
    丙丁先生 2025-01-06 09:23 83浏览
  • By Toradex 秦海1). 简介嵌入式平台设备基于Yocto Linux 在开发后期量产前期,为了安全以及提高启动速度等考虑,希望将 ARM 处理器平台的 Debug Console 输出关闭,本文就基于 NXP i.MX8MP ARM 处理器平台来演示相关流程。 本文所示例的平台来自于 Toradex Verdin i.MX8MP 嵌入式平台。  2. 准备a). Verdin i.MX8MP ARM核心版配合Dahlia载板并
    hai.qin_651820742 2025-01-07 14:52 40浏览
  • 村田是目前全球量产硅电容的领先企业,其在2016年收购了法国IPDiA头部硅电容器公司,并于2023年6月宣布投资约100亿日元将硅电容产能提升两倍。以下内容主要来自村田官网信息整理,村田高密度硅电容器采用半导体MOS工艺开发,并使用3D结构来大幅增加电极表面,因此在给定的占位面积内增加了静电容量。村田的硅技术以嵌入非结晶基板的单片结构为基础(单层MIM和多层MIM—MIM是指金属 / 绝缘体/ 金属) 村田硅电容采用先进3D拓扑结构在100um内,使开发的有效静电容量面积相当于80个
    知白 2025-01-07 15:02 66浏览
  • 彼得·德鲁克被誉为“现代管理学之父”,他的管理思想影响了无数企业和管理者。然而,关于他的书籍分类,一种流行的说法令人感到困惑:德鲁克一生写了39本书,其中15本是关于管理的,而其中“专门写工商企业或为企业管理者写的”只有两本——《为成果而管理》和《创新与企业家精神》。这样的表述广为流传,但深入探讨后却发现并不完全准确。让我们一起重新审视这一说法,解析其中的矛盾与根源,进而重新认识德鲁克的管理思想及其著作的真正价值。从《创新与企业家精神》看德鲁克的视角《创新与企业家精神》通常被认为是一本专为企业管
    优思学院 2025-01-06 12:03 113浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦