深入研究智能蒙皮天线的关键技术

微波射频网 发表于 2018-07-11 15:34:33 收藏 已收藏
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深入研究智能蒙皮天线的关键技术

微波射频网 发表于 2018-07-11 15:34:33

区别于传统相控阵天线设计技术,本文探讨了智能蒙皮天线新技术。给出了智能蒙皮天线的内涵,提出了智能蒙皮天线的体系构架。从未来新一代战机的军事需求和战术性能入手,详细地分析了智能蒙皮天线的封装功能层、射频功能层、以及控制与信号处理功能层的实现方式。针对新一代机载平台的应用需求,深入地研究了智能蒙皮天线的关键技术和实现方法。

引言

传统天线的设计方式很难再适应新一代飞机作战模式和功能的需求。最近几年兴起的共形承载天线(CLAS)能很好地解决机载平台气动/隐身的问题[1]。然而,这种CLAS 仅仅考虑了与飞机蒙皮的共形设计和结构力学的问题,在性能方面没有实现天线的智能化。自二十世纪八十年代美国空军提出智能蒙皮这项具有创新意识的新技术构想之后,美国空军、海军等科研机构都投入大量人力和物力进行可行性预研。在此基础上,Baratault 和Josefsson 等人提出了未来智能蒙皮天线的设想[2-3],在继承相控阵天线技术的基础上,通过设备后端的控制与信号处理单元来实现天线波束的自适应,然后这种方式实现天线的智能化是有限的。

本文提出了一个新的设计方法:天线的自适应不仅可以依靠设备后端的控制与信号处理单元来完成,而且可以在射频功能层实现辐射/散射特性可重构,即在射频功能层增加一维自由度。与传统天线不一样的是它不仅能实现设备和天线结构的高度融合,而且能实现射频功能层的电磁特性动态调控,突破了相控阵天线仅仅依靠后端的控制与信号处理单元来实现天线波束自适应。本文从新一代战机的军事需求和战术性能入手,详细地论证了智能蒙皮天线的体系构架,分析了智能蒙皮天线的封装功能层、射频功能层、以及控制与信号处理功能层的构建方式,研究了智能蒙皮天线的关键技术和实现方法,为后期进一步研究智能蒙皮天线奠定了技术基础。

1、智能蒙皮天线体系构架

智能蒙皮是指在航天器、军舰或者潜艇的外壳中嵌入智能结构,其中包含天线、微处理控制系统和驱动元件,可用于监视、预警、隐身、通信、火控等。目前的研究方向主要是在航天器上的应用。智能蒙皮天线的两个特征是“蒙皮”和“智能”。“蒙皮”突出天线的共形和承载功能。“智能”突出天线的自适应性,能够根据外界的电磁环境产生所需要的辐射/散射特性。智能蒙皮天线要实现这些功能,就必须采用与载体表面共形的多层复合介电材料,在复合材料的预装阶段,在各层之间嵌入大量形状各异或周期性放置的金属贴片、传感器、微机电系统(MEMS)、TR 电路、馈电网络、传动装置、以及冷却通道等,形成结构复杂的多层共形阵列结构。根据智能蒙皮天线的功能组成方式,可把智能蒙皮天线划分为封装功能层、射频功能层、控制与信号处理功能层,如图1 所示。

图1、本文提出的智能蒙皮天线体系构架

智能蒙皮天线的封装功能层要实现三大功能:一是结构承载功能,以满足智能蒙皮天线在结构强度、空气动力学等方面的特殊要求,能起到防止氧化、衰减紫外线、防雨雪侵蚀、抵抗气动载荷的作用;二是系统散热功能,以保证功放芯片的正常工作;三是电磁防护功能,既包括对外来电磁攻击的防护,也包括对系统内部电磁干扰的防护。封装功能层就像人的皮肤一样[4],具有一定的自修复能力,能对破坏产生敏感和响应。

人皮肤中的血管可根据来自神经网络的信号携带抵抗感染的抗体到受伤部位,封装功能层中的层埋传感器可实时感知战斗和其他事故引起的损伤,并重新向损伤区传送信号,达到功能重组和天线智能化的目的。

智能蒙皮天线的射频功能层可实现电磁信号辐射/散射特性可重构,本文创新性地提出在射频功能层采用动态调控技术,从而完美地实现射频前端、信号处理终端、以及平台一体化设计,达到电磁隐身、功能重构、结构仿生变形的自诊断、自修复、自适应的目的。智能蒙皮天线与传统天线的另一个区别就是撇去了传统天线设计与飞机设计制造分离的模式,即在飞机设计制造期间,就将机载天馈系统相对分离的结构、电磁独立功能组件高度集成并与飞机结构一体化成型,打破了传统天线在飞机蒙皮上开孔安装的局限,形成可与机载平台结构高度融合并直接承载环境载荷的一类新型天线。

智能蒙皮天线的控制与信号处理功能层通常由波束形成系统、控制与功能维护系统、康健监测系统等组成。波束形成系统是蒙皮天线波束自适应的重要组成部分,具备波束指向捷变与波束形状捷变的能力。控制与功能维护系统是对蒙皮天线系统的传感器、驱动装置、检测元器件、微处理器、供电电源等进行控制,使整机系统能够正常运作起来。控制与功能维护系统通过对蒙皮天线的MEMS 进行控制,可使辐射单元具有电磁特性可重构的能力,从而完成射频功能层的电磁动态调控[5]。健康检测系统是指通过实时监测智能蒙皮上的传感器的信息,来判定整机系统是否正常工作。同时对战斗损伤作出判断、评估,把信息传递给控制与功能维护系统和波束形成系统,进行剩余资源的重新分配、组合,以及功能重构,完成智能蒙皮天线的智能化。

2、关键技术与实现方法

2.1 智能蒙皮天线的分析与综合

运用现有的电磁仿真和优化方法对智能蒙皮天线进行电磁特性分析和综合时,将会遇到很多困难,严重制约智能蒙皮天线研究的进展,急需在计算方法上进行创新。在智能蒙皮天线与机载平台一体化的电磁分析方面,由于机载平台-智能蒙皮天线的联合仿真既是宏观尺寸很大的电大电磁问题(机载平台环境),又是微观结构非常精细的电磁问题(天线单元、馈电网络),可采用两种方式进行分析。第一种方式是采用渐进技术的一些算法,如多层快速多极子方法,一致性几何绕射理论等。第二种方式是采用数值计算方法,如有限元-边界积分法,时域有限差分法等。另一方面,可采用将全结构化整为零,对各功能单元进行严格的电磁仿真,一方面使问题化小为可算问题,还可以进一步基于仿真数据建立各功能单元电磁特性的宏模型。只有基于高效高精度的单元宏模型,配合蒙皮阵列的系统分析和综合方法,才能完成大尺度机载结构与天线一体化的综合优化设计。

智能蒙皮天线的一个最为挑战的问题就是方向图的优化。智能蒙皮天线与经典的线/面阵天线的本质区别在于载体曲率引入了单元指向和极化状态的差异。辐射单元包含了天线的极化信息,这些辐射单元不会像平面阵列那样组合成公共单元因子。因此,经典的阵列综合方法失效,可通过采用优化算法(如交错投影法、遗传算法等)来获得期望的辐射特性。

2.2 垂直互联技术

高密度垂直互联是智能蒙皮天线可实现性的核心技术,目前相关的基础理论研究较少,急需进行新材料和新技术的探索。因此,探索并研究高密度集成的智能蒙皮天线垂直互联,并解决弯曲结构状态下互联一致性的工艺成型问题极为关键。智能蒙皮天线是由射频介质材料、低频电路介质材料、填充材料等多种材质组成的一种复合结构,需要创新研究天线与结构一体化设计中垂直互联问题。从辐射单元设计来看,常见的方法有耦合馈电方式和探针馈电方式,天线基板材料可选择为低温共烧陶瓷(LTCC)和印制电路板材(PCB),常用的垂直互联方式有槽-带状线方式、多层LTCC 的微带-微带方式、以及类同轴线联接方式等。

TR 组件是智能蒙皮天线的重要部件,可分为砖块式和瓦片式。砖块式TR 组件子阵设计和制造工艺要求较低,该组件集成密度较低,散热能力差,无法在智能蒙皮天线上得到应用。瓦片式TR 组件具有优良的散热能力, 子阵集成度高,在降低TR 组件成本、减小体积尺寸、减轻设备重量方面具有优势,易于实现大规模共形阵列。瓦片式集成的子阵模块采用分层结构,将多个通道相同功能的芯片或电路集成在数个平行放置的瓦片上,通过采用倒装芯片焊接方式实行垂直互联。智能蒙皮天线的基本瓦片层包括GaAs 层/GaN 层、冷却层、控制电路层、馈电层、以及驱动层,等。瓦片式子阵利用高密度组装技术,大幅度减小了纵向高度、重量与成本,但是需要新颖的互联技术,完成各层之间、子阵模块与信号分配板之间的信号交换。可结合目前常用的LTCC 基板和多层聚合物电路基板,采用新工艺改善基板的平整度、加工精度、装配精度、以及设计可靠性,来完成瓦片式TR 组件的垂直互联设计。此外,还需要处理好毗邻器件可能发生的耦合效应、中间层热设计、测试性、以及维修性设计,等。

2.3 射频隐身技术

一直以来,人们都认为天线辐射特性和散射特性之间存在一定关系[6],却很少有文献研究这方面的问题。现代的天线隐身技术强调RCS 的调控与战术的配合,实现天线的低可观测/低截获概率(LO/LPI),以达到对天线系统RCS 在时域、空域和频域上的有效管理。通常LO/LPI 技术都需要不断加强天线罩、天线腔、天线设计的开发,以此作为共用子系统的交互元件,使带内、带外RCS 更小。采用智能蒙皮天线技术,可有效取消飞行器上的外露天线,将其上的各种天线与机翼、机身蒙皮结合起来,甚至将若干分离的单功能天线综合成多功能天线孔径,可以有效地利用飞行器的表面积、减轻重量、降低飞行器气动阻力,同时也极大地减少RCS 面积。可见,采用智能蒙皮天线是实现天线气动/隐身设计的有效方案之一。

与传统共形阵列概念不同的是,智能蒙皮不仅需要完成飞行器天线所有的工作任务,还要自适应地逃避对方探测,实现对天线系统的隐身控制。也就是说,智能蒙皮天线不但从结构方面有利于飞行器气动/隐身一体化外形设计,而且更重要的是,它能够自适应地调控天线辐射/散射特性,包括:进行时域调控达到时域隐身、频域调控达到频域隐身、空域调控达到空域隐身,从而按需实时地重构时域/空域/频域散射特性,实现LO/LPI。传统的天线隐身技术主要关注RCS 的降低,随着当代电磁环境的日趋复杂和对抗的日益加剧,仅仅关注RCS 指标的传统天线隐身技术已经不能满足良好的天线系统辐射/隐身双重目标。天线必须保证自身电磁波的正常发射和接收,因此传统的隐身措施不可能简单地在实现天线LO/LPI 中获得应用,必须进行新技术的创新。采用辐射/散射特性可重构技术,可很好地实现LO/LPI 的动态调控,达到智能蒙皮天线隐身设计的目的。

2.4 智能控制技术

智能控制通常包括电磁特性调控子系统、健康监测子系统、功能维护子系统,通过对智能蒙皮天线系统中的传感器、驱动装置、微处理器、供电电源等进行控制,使系统能够正常运作。

电磁特性调控子系统主要通过两种方式实现。一是在射频功能层中实现,通过射频可重构技术,用射频开关直接调控射频部分的辐射阵元或馈电网络。二是在信号处理层中实现,通过向射频功能层提供不同的输入信号方案,达到对电磁特性的调控。

健康监测子系统负责实时监测智能蒙皮天线是否能健康工作,为了实现这一功能,需要在智能蒙皮天线中嵌入对各个部分状态进行监测的子系统,负责状态感知、状态信息传输、状态信息分析等任务。通过实时监测智能蒙皮上的传感器的信息,来判定整个系统是否正常工作,并把判定结果传递给功能保护系统。如在智能蒙皮天线的封装功能层内埋置光纤传感网络,该网络与计算机相连,可对天线设备阵面各处应力、温度等诸多参量进行实时检测;若再将计算机与执行系统相连,则可动态调整封装功能层的防护罩结构,以获得最佳的电气性能。在天线电磁性能监测方面,健康监测系统必须包括信号的采集分析及控制信号的传输。具有有源收发模块的智能蒙皮相控阵天线,可以采用一种内置性能监控与故障隔离校正(PM/FIC)系统进行监测[7]。

功能维护子系统提高了飞机的可用性,它能够在健康监测子系统报告部分单元损毁的情况下,通过功能维护子系统启动备用单元或启用备用算法,进行硬件补偿或软件补偿,完成资源的重新分配、组合以及功能重构,保障系统功能继续正常发挥。例如,前面提及的PM/FIC 系统中,当健康监测子系统发现故障单元、完成故障隔离后,功能维护系统通过微处理器中的纠错算法发送控制信号到波束形成单元、幅度控制器、以及指令译码器中以调整天线单元辐射信号的幅度及相位从而达到对系统功能的维护,该系统的纠错算法主要采用的是旁瓣消除法。

2.5 热设计技术

当飞行器高速运动时,高性能战斗机的蒙皮表面温度能达到200℃,而飞弹、火箭等载体的某些部位的蒙皮表面温度能达到1000℃ 以上。

而层埋在智能蒙皮里的光纤尤其是砷化稼芯片只能承受低于145℃的温度, 温度超过120℃,电子设备就失效。因此,必须寻求一种方法,在热量传入埋在飞机蒙皮表面之下的射频功能层以前就能将其散发。另一方面,从智能蒙皮内部来看,高密集组装已经形成过热危险,尤其是大功率毫米波相控阵天线,其内部的热耗高达几百甚至上千瓦。因此,对于包含众多TR 组件等有源单元的智能蒙皮天线,在采用三维多层集成电路时,系统散热是一个必须在系统体系架构规划时就要解决好的问题。

电子设备热设计是智能蒙皮天线可靠性设计的一项关键技术,热设计的目的是要保证电子元器件及设备在规定的热环境下,能安全正常地工作。从目前的设计方式上看,强迫风冷和液体冷却已经在机载平台上得到应用。当机载平台对冷却系统的体积和重量要求不十分严格,且热功率密度分布不高的条件下,强迫风冷不失为一种好的选择,它省去了液体冷却系统的冷却泵和动力源,较为简洁、廉价。但在大多数情况下,尤其是毫米波频段甚至更高频段,高性能、高密度集成是智能蒙皮天线的一大特点,导致热设计成为一个极难解决的关键技术难题,直接在多功能芯片下面埋置液冷管道是可选的解决方案之一。从系统体系架构角度考虑,散热层应该充分利用系统内部未放置元器件的空间以尽量减小系统总体体积,并且达到使系统整体更稳固的作用。从系统散热性能及效率角度看,散热层应主要置于系统产热较多芯片周围,例如TR 组件功放芯片的下方,并且与热源器件之间保持良好的热传导,以达到高效散热效果。

3、结论

智能蒙皮天线的研究是一个复杂的系统工程,国内外相关报道较少。本文区别于传统相控阵天线设计技术,提出了智能蒙皮天线的体系构架和实现方法。并从未来新一代战机的军事需求和战术性能入手,详细地分析了智能蒙皮天线的封装功能层、射频功能层、以及控制与信号处理功能层的实现方式。针对新一代机载平台的应用需求,深入地研究了智能蒙皮天线的关键技术和实现技术。

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