日本柔性共形陣天線技術的發展及應用

原標題:日本柔性共形陣天線技術的發展及應用

共形陣天線是和載體外形保持一致的天線陣，即將天線陣面與載體外形「共形」，增強了適應性，相對於平面陣天線有很大的優勢。其中，柔性共形陣天線是更先進的一種共形陣天線技術，不僅可以和任意曲面共形，能夠隨著外形變化進行動態調整適應而且對於飛行器因氣動、冷熱等引起的振動和外形變化具有更好的適應性。

歐美國家對共形天線的研究

歐美等發達國家很早就認識到共形陣天線的優勢，但已有的共形陣天線應用還僅是將共形陣陣面設計成既定形狀，如圓筒形或半球形，被動地適應載體外形，多應用於地面和艦載的雷達天線。而在飛行器上，由於使用環境複雜，共形陣的應用面臨的技術難題更多。

美國空軍對「感測器飛機」的機翼進行風動試驗。

美國空軍曾支持多個共形陣天線項目，例如，在「結構一體化X波段陣列」（SIXA）項目中，波音707飛機機翼上曾安裝過一個64單元的共形陣陣天線，長約6m；在「感測器飛機共形低波段天線結構」（S-CLAS）項目中，在飛機機翼的前緣安裝了有源相控陣列，用來進行共形陣雷達系統試驗，通過自適應處理手段可以克服機身的變形和機翼的抖動所帶來的影響。

上述兩個項目只是研究機翼彎曲對陣列性能的影響及彎曲補償技術，而最接近型號應用的是在美國空軍「感測器飛機」（SensorCraft）項目中專門為該機製造的尺寸3～6m的超高頻共形有源相控陣雷達天線，並將它集成到機翼中進行了風洞試驗；另外還已製成0.37m2的X波段共形有源相控陣雷達天線。

這些項目中的天線陣列都是根據特定載體進行設計，利用飛機機翼較規則的平面，不能貼合任意曲面，不具有廣泛的適用性，距離取代當前飛行器中的機內雷達天線仍有一定差距。

日本對共形天線的研究

日本在信息技術和微電子技術方面一直處於世界領先地位，這些技術積累為研究共形陣天線技術提供了堅實的基礎。日本原防衛技術研究本部（現已整合到防衛省裝備廳）的電子裝備研究所在2013年對外公布了其正在牽頭研發的柔性共形陣天線，在實用性方面具有很大的突破，解決了大部分共形陣天線所面臨的問題。

日本這個項目的研製目標是面向未來航空裝備，用於取代機內雷達天線，其實現的柔性共形陣天線技術主要實現了三點：天線可以任意角度彎曲；天線感測器可以根據彎曲狀態檢測曲率，自動修正電磁波相位；通過對天線在彎曲狀態下與平面狀態下的增益效果進行對比，驗證了自動修正電磁波的技術可行性。

日本研製的這種天線上附有感測器，可以檢測天線的彎曲曲率，通過計算曲率半徑得出各個元件的坐標，然後自動調整各個元件的相位，形成指定方向的電磁波束。防衛技術本部在微波暗室中對彎曲狀態的柔性共形陣天線的增益效果進行了驗證，確認在指定方向上形成了電磁波束，證明柔性共形陣天線對電磁波進行修正是有效的。

日本的這項柔性共形陣天線技術研究的目標，就是針對現在的飛機設計中如果需要大口徑天線就必須使機頭的直徑較大，而柔性天線技術可以把天線安裝在飛機外部，和機身表面外形相匹配，取代機內雷達天線，避免機內熱管理和電磁兼容等問題。柔性共形陣天線能夠適應任何曲面形狀，並且其柔性共形陣天線在構造上輕薄、重量小，具有很好的搭載適應性。這樣相對於固定形狀的共形天線，柔性共形天線使天線不需要再為適應飛機外形而進行專門設計，而且能夠適應飛機氣動和熱脹冷縮的外形改變。

這種柔性共形陣天線技術如果發展成熟，具有很廣泛的軍事用途，也將改變傳統飛機設計理念，對於提高作戰系統的探測能力大有裨益，尤其在隱身航空裝備發展迅速的今天，更具有現實意義。

首先，柔性共形陣天線可以安裝在航空裝備不同曲率的表面，航空裝備可以設計成最優的氣動外形，而無需為安裝天線陣面而付出額外的氣動代價。適合用於機翼變形比較大的大展弦比機翼的飛機，大型預警機可以充分利用機身表面積和大翼展布置天線，大幅提升探測能力，而不再需要額外背負「圓盤」或「平衡木」之類的機外天線；或者高空長航時無人偵察機，採用柔性共形陣天線可以實現大口徑雷達探測，滿足其廣域偵察能力需求。

其次，柔性共形陣天線可以不佔用機內空間，騰出的空間可以用來安裝其他設備、燃料，從而增加飛機的載荷，使機體內有限的空間得到充分的利用，另外也有助於提高設備的結構強度，減少體積和重量，有助於提高載機的機動性及戰場的生存能力。這對戰鬥機或導彈之類的空間緊湊型航空裝備具有巨大優勢，如果戰鬥機能在機身表面集成共形陣天線取代機內平面陣雷達天線，可以將機頭空間留給其他更重要的機載設備，可以多載燃油增加航程，可以搭載更多的機載武器。雷達制導的導彈如果在表面安裝共形陣天線，可以降低了導引頭的尺寸和重量，彈體內節省的空間可以安裝更大的戰鬥部或攜帶更多的燃料，也可以大幅縮小彈體尺寸增加便攜性，提高機動性。

第三，柔性共形陣天線擴大了可進行態勢探測的平台範圍。任何飛機都容易被改裝用於情報搜集，機翼、機門或機身都可以成為天線，任何有人駕駛飛機或無人機都可以執行監視任務，而無需為適應雷達天線而開發專門的監視飛機。

第四，共形陣天線不僅可以用於雷達探測和通信，也可能提供新的電子戰作戰方式，極大地改善電子攻擊效能。利用大型共形陣的高功率孔徑積可以探測敵方的通信，可以對付許多X波段的雷達和大量短波通信。曾有專家設想用共形陣天線包裹導彈大小的無人作戰飛機，快速抵達敵方目標附近，在近距離上產生具有毀傷作用的尖峰功率，從而對敵設施進行電子攻擊。