周威
空装驻兰州地区军事代表室 甘肃省兰州市 730070
随着微波、计算机、半导体、大规模集成电路等各个领域科学进步，也使雷达技术发生了革命性跃进。雷达天线技术发展进入新的阶段，数字化技术向天线前端前移，机械扫描向相控阵电子扫描发展，无源相控阵（PESA）向有源相控阵（AESA）、数字阵列雷达（DAR）发展，数字波束形成（DBF）技术得到大大的发展。本文主要对机载雷达天线的发展现状及趋势进行梳理。
1抛物面天线技术
抛物面天线是以较大的尺寸的抛物面作为主面，主面前方中心位置一个喇叭作为馈源。抛物面天线的工作原理是：在天线工作时，就会进入辐射模式，而喇叭则进行辐射，其辐射出去的是球面波，之后球面波会打在抛物面上，抛物面把喇叭入射的球面波变换为平面波，使之辐射到自由空间中。抛物面天线的结构简单，容易加工制造。与此同时，抛物面天线的制造加工成本也并不高，这些是抛物面天线的优点。不过抛物面天线也存在一定缺点，即体积大、扫描的角度受限。正是如此，抛物面天线的推广与应用受到了影响。为提升抛物面天线的应用水平，研究出了“卡塞格伦（Cassegrain）”形式的双反射面天线，增加了扫描范围，并且减少了天线体积，有助于提高扩大抛物面天线应用效果，为抛物面天线技术的推广工作的有效进行奠定了坚实基础。
2平板裂缝天线技术
随着社会发展，国内外研究人员积极地开展平板裂缝天线技术，以为机载雷达天线技术的发展做贡献。2008年，T.Debogovic,A.Karabel j和J.bartolic提出了平板裂缝天线技术设计方法，以便充分地发挥平板裂缝天线技术价值。即可以采取双波段的方法，进行设计工作。值得注意的是：要在设计时改变缝隙的电长度，进而确保两种波段合理匹配。Deepti Das Krishna,M.Gopikrishna等也研究了平板裂缝天线技术，其中重点研究了WiMAX/WLAN两种不同频段的共面波导馈电的分形裂缝天线，希望推动机载雷达天线技术发展，提升天线技术的使用性。在研究的过程中发现，WiMAX/WLAN两种不同频段的分形裂缝天线在天线阻抗、天线辐射等方面表现得比较好。可见，WiMAX/WLAN两种不同频段的分形裂缝天线具有相对高的应用价值。
平板裂缝天线技术处于进步发展的状态。仅一年后（2009年），经过国外研究人员的努力，出现了新型的平板裂缝天线技术。对于比之前的天线技术，该新型平板裂缝天线技术的天线尺寸减小，但是天线缝隙增加。过去，天线的高度是不可调节的，不过新型天线则可以根据应用需求进行高度调节。正因如此，新型的平板裂缝天线技术一经出现就得到了众多人的关注，以及推广应用。
国外研究人员还研究了基片集成波导，由于基片集成波导对比于矩形导波来讲具有传输性能好、结构集成方便等优点，所以基片集成波导受到了相关人士的亲睐。
国内也开展了波导裂缝天线的研究工作。为提升波导裂缝天线的研究水平，以及保证研究效率，ANSOFT公司应用HFSS软件开展计算工作。在这种情况之下，国内的波导裂缝天线研究工作得到有效的发展进步。
2008年国内设计出了共面波导馈电形式的单向宽带毫米波裂缝天线。为保证这种天线技术制作加工水平，研究人员探究了MEMS微加工技术，并将该加工技术应用在实际天线制造加工中。在研究出了单向宽带毫米波裂缝天线后，可以提升天线传输水平。
由于波导裂缝天线对于推进机载雷达天线技术发展水平具有重要的价值，我国研究人员积极地研究波导裂缝天线。经过研究，波导裂缝天线的尺寸减少，并且重量也变得越来越轻。
3蒙皮天线技术
为增强预警雷达的效能，20世纪90年代美国空军研究实验室（APL）继续开展预警雷达研究工作。其中，研究了传感器飞机，以便更好地实现预警功能与指挥控制工作。通过研究天线技术，有助于实现预警雷达研究目标。因此，开展了天线技术研究工作。其中，研究了蒙皮天线，而蒙皮天线是电信工作单元与平台承载结构一体化过程中十分重要的要素，为此要高度地重视蒙皮天线技术开发与研究工作。在蒙皮天线的研究中，研究人员明确了天线材料选择的质量标准，构建了天线集成体系，同时他探究了雷电防护措施，以便尽最大限度地保护蒙皮天线，提升蒙皮天线的应用价值。另外，研究人员提出“加载单极子和长缝单元”的蒙皮天线端射单元技术研究观点，希望提高天线的扫描能力，保证信号传输效果。其中，长缝端射天线单元的高度应小于1/10波长，这样就可以更好确保辐射效果。此外，研究人员将蒙皮天线与雷达天线进行合理化设计，并且引进了先进的技术来优化升级传感器。在这种情况之下，飞机飞行的稳定性得到了极大的保障。
4嵌套多功能阵列天线技术
嵌套多功能阵列天线是通过利用平台资源、多波段等发挥其作用。由于单元间距比例的设计关系着多波段的利用水平，相关人员需要注重控制单元间距。一般而言，低频段辐射单元间距是高频段辐射单元的整数倍。这样才可以保证天线的应用价值。嵌套是制造嵌套多功能阵列天线的要点，在嵌套后各个单元本身的辐射性能就可以得到优化。
5低频段天线技术
空军实验室在低频段雷达、高频段雷达方面也开展了研究工作。在低频段雷达方面,由于诺·格公司具有优秀的研究团队、研究实力强，空军实验室与该公司沟通、交流，并签订了合同。即该公司负责推进低频段天线研究工作。该公司研究出了传感器飞机共形低频段天线结构，对于提升飞机飞行水平具有重要的意义。该天线结构就是“低频段结构天线”。为保障“低频段结构天线”的实用性，公司在研究的过程中开展了多种试验活动，以便验证自身得出的数据。在验证、优化以及改进中，“低频段结构天线”的应用价值不断提高。在高频段雷达方面,空军实验室同样将高频段雷达天线研究工作交与其他具有实力的公司。通过搜集资料发现，雷声公司负责高频段雷达天线研究工作。2004年空军实验室把该项研究项目交与雷声公司研究，2006年公司完成研究任务。研制的成果即XTRA天线，该天线具有共形、承重能力强等的特点。实际上，该天线的特点也是应用的优势。
6自适应波束形成技术与共形阵天线技术
相控阵雷达的实际应用依赖于共形阵列信号处理技术的不断发展，而波束形成又是共形阵列信号处理领域的一个重要研究方向，因此本次在研究共形阵天线技术时先探讨了自适应波束形成技术，再介绍了共形阵天线技术。
6.1自适应波束形成技术
上世纪六十年代开始研究自适应波束形成技术。1969年，Capon提出了最小方差无失真响应（MVDR）准则，应用该准则可以保证信号传播水平，降低列阵输出功率，提高抗外界干扰能力。在社会发展以及科学技术不断发展的背景下，自适应波束形成技术也得到了新的发展。比如，20世纪70年代，相关人员通过长期实践研究提出了矩阵求逆（SMI）算法，通过把该算法应用到实际工作之中，更容易增强自适应波束形成技术的抗干扰能力。1974年，Brennan等人推导出了SMI波束形成算法的输出信干噪比损失的概率密度函数，明确了自适应算法的性能与训练样本数两者之间的关系，这样就可以进一步提升自适应波束形成算法的研究水平，进而保证技术发展效果。
为推动波束形成技术发展，越来越多的人投入到波束形成算法的研究工作。
其中，1978年，Morgan提出了子阵划分方法，为波束形成算法的研发与发展做出了贡献，而1986年，Howell提出了波束空间方法。通过研究发现，这两种方法具有相似性，即通过降维的方法进行计算。1996年，Haimovich提出了特征干扰相消方法，该方法属于“降秩”计算方法。通过将这些算法应用在实际工作之中，可以提升波束形成技术发展水平。
在应用自适应波束形成器时，容易出现误差，进而影响天线信号接受效果，不利于发挥天线的作用。20世纪90年代，波束形成算法的类型有所增加，如形成了对角加载算法、特征子空间算法。但是这两种新出现的算法并不能够有效地解决信号误差问题。可见，波束形成算法的研究还存在问题，有待优化与改进。21世纪起，波束形成技术的研究热点逐渐地发生了变化，即如何提高自适应波束形成算法的稳定性是成为了研究的热点。通过从该角度推进研究工作，有助于确保信号传输的稳定性，提升信号接受水平，增强天线性能。2003年，Vorobyov提出了最差性能最优化算法，将算法在设定的导向矢量失配范围内。在这种情况之下，就可以保障信号有效地传输。Stoica和Li研究人员认真地研究了“最差性能最优化算法”，从此项研究中总结了研究经验，并开阔了研究思路，最终形成了稳健Capon波束形成（RCB）算法。该算法与“最差性能最优化算法”不同的是，该算法把自适应权矢量的求解等效为期望信号输出功率的求解。在这种情况之下，就可以促进波束形成方法的发展，更好地增强信号传输效果。2012年，Gu基于干扰加噪声协方差矩阵重构的波束形成方法，通过把该方法应用到实际工作之中，可以提高检测水平。2015年Huang在研究“基于干扰加噪声协方差矩阵重构的波束形成方法”的基础上形成了自身的研究成果。研究成果的重要表现是：Huang改进了Gu所研究的方法，减少了算法的计算量，有效地提高了计算的效率，保证了计算质量。正因如此，Huang所提出的算法得到了越来越多人的关注，也受到了良好的推广与应用。
6.2共形阵天线技术
在科学技术发展进步的背景下，世界各个国家积极地研究共形阵天线技术。上世纪六十年代，各大国家着手开展了共形阵天线技术研究工作。其中，1960年，美国海军航空司令部就研究了飞机和导弹蒙皮上的共形阵天线。共形阵天线技术的研究不是一蹴而就的，各个国家通过长期间的研究形成了球形阵天线和圆环阵天线。这样就可以为天线发展以及机载雷达的发展做出重要的贡献。20世纪80年代，世界各国的信息技术、计算机技术、微电子技术、制造技术、材料学等发展水平不断提高。通过把多种技术贯彻到天线的研究之中，进而提高了天线研究水平。基于技术发展，共形天线阵列由之前侧重于研究理论变为侧重于研究实际应用方法、手段等。主要表现在，共形阵天线技术应用到雷达、电子战、通信等领域之中。
20世纪90年代起，，GE公司、Northrop Grumman公司与美国空军加强了联系，并与美国空军签署了合同，以便促进雷达系统发展。经过研究，两个公司开发出了“灵巧蒙皮”雷达系统。灵巧蒙皮是指将与雷达系统相关的电子设备如移相器、射频分配网络、热敏元件等嵌在共形阵平面中，共同安装在飞机蒙皮的内侧表面作为一个整体，形成一种新型蒙皮。通过把“灵巧蒙皮”雷达系统应用在飞机中，可以保证飞机飞行水平。1997年，美国研制出了F/A-18实验飞机，并试飞成功。而该机体就装载了VHF频段“Endcap”灵巧蒙皮系统。由此可见，“Endcap”灵巧蒙皮系统在飞机运行中发挥着重要的作用。
人类的历史处于发展与进步的状态，而人类对复杂天线阵列理论的研究也处于发展与进步的状态。2005年，美国国防预先计划署（DARPA）与Raytheon公司进行了合作交流，共同研制出现了经济型自适应共形相控阵雷达（AACER）系统。该系统的性能好，利于应用。美国就将经济型自适应共形相控阵雷达（AACER）系统应用在无人机研究中，形成了研究成果，即应用该系统保证了无人机地面搜集速度，提高搜集的准确度。
为提升雷达预警水平，就需要认真地研究天线技术。共形阵列天线对于确保雷达预警效果具有积极的作用。共形阵列天线属于预警雷达天线关键技术，因此本次对该技术进行了研究。共形阵列天线主要分为以下几个单元。一是槽开口天线。槽开口天线通过butller矩阵和移相器实施相控扫描，而在俯仰面上通过频率控制器实施频扫。二是微带天线。通过研究发现，微带天线具有体积小、重量轻、剖面高、继承性强的特点。飞机、卫星、火箭等飞行器上都应用了微带天线放。由于微带天线具有损耗大的特点，相关人员有必要采取合理的措施改进天线。其中，就通过加寄生贴片、使用短路针等方式，提升微带天线的性能。三是共面波导馈电型。应用微带加工工艺的传输线，改进了对场的束缚.在这种情况之下，就可以更好地发挥天线的作用。总体来看，复杂天线阵列理论与实际应用的研究水平不断发展，对于推动社会发展以及航天领域事业的发展具有重要意义。
综上，天线是雷达技术的重要组成部分，并且在一定的程度上影响着飞机运行水平。虽然机载雷达天线技术处于不断发展的状态，但是，世界各国研究人员需要积极地投入到天线的研究中，提高雷达系统的性能，保证系统之间的协调性。为强化机载雷达天线技术研究效果，世界各国还需要选择优秀的研究人员，组建研究团队，致力于机载雷达天线技术的研究工作之中。由于机载雷达天线技术的研究工作还离不开资金的支持，政府有必要投入资金用于机载雷达天线技术的研究工作之中，以便确保研究的持续性、有效性。机载雷达天线技术的研究并不是一帆风顺的，相关研究人员需要积极地克服研究问题，从而取得良好的研究成就。
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作者简介：周威（1977-），男，吉林省白城人，硕士学位。现为空装驻兰州地区军事