共形天線——穿在武器身上的“雷達外衣”

    近日的一則新聞使人們有理由相信，類似電影《特種部隊：眼鏡蛇的崛起》裏面使用的隱身衣或將成為現實。只不過這次不是個人穿的隱身衣，而是通過採用共形天線為“戰鷹”披上的新衣。在不久前舉行的世界雷達博覽會上，人們就目睹了機載共形天線的身影，意味著這項技術正加速從想像變為現實。

    共形天線是指能與武器平臺外形保持一致的天線，它如同創可貼般直接把天線陣面貼于載體表面，與平臺結構融為一體。共形天線看似只是輕輕一貼，卻能有效降低武器平臺的雷達反射面積，對載體外形結構和空氣動力學等影響也微乎其微，正在成為雷達天線領域的研究熱點。

    天線林立會拖戰場後腿

    天線是電子設備中用于發射和接收無線電信號的重要裝置。信息化戰場的武器裝備，往往配備有多種多樣的電子設備，它們的正常工作都離不開天線。以一架作戰飛機為例，其身上安裝的雷達、導航、通信等各種類型天線總數多達70余種，且很少安裝在機身內部，絕大多數都突出在機身之外。

    事實上，這些林林總總裸露在外的天線，正在拖“戰場的後腿”。布置在武器平臺外部的天線，會影響氣動布局，還需要在安裝位置上“斤斤計較”，以避免産生天線遮擋和電磁相容等諸多問題。即便是為戰機天線配備了天線罩，也不可避免地會形成鼓包，進而帶來額外的雷達信號反射源，破壞了戰機的隱身性能。由此，能與武器平臺“完美融合”的共形天線應運而生。

    共形天線是一種覆蓋于武器平臺表面的雷達天線，通過天線與武器平臺外形結構的一致，盡量減少對平臺現有結構參數的影響。尤其對戰機而言，一旦做到了天線與蒙皮的結合，或將從根本上解決天線布置的技術難題，進一步提升戰機性能。

    早在20世紀30年代雷達誕生伊始，人們就開始對圓環陣、圓錐陣等特形天線進行研究，這在當時也被視為是共形天線的基礎和突破口。1960年，美國海軍航空司令部開始著手研究用于飛機和導彈蒙皮上的共形相控陣天線。到1973年，美國研制出球形相控陣天線和圓環相控陣天線，標誌著人們在共形天線研究領域的重大進展。

    20世紀80年代，伴隨著微電子和信息技術的快速發展，雷達天線領域一大批新技術、新工藝相繼出現，為共形天線的研制運用奠定了堅實基礎。美國空軍于1985年首次提出“智能蒙皮”技術構想後，相繼投入大量人力和物力進行基于共形天線的智能蒙皮研究，推動了將雷達天線整合在飛機蒙皮係統內部的技術發展。目前，共形天線技術已經在機載探測雷達、通信係統等部分武器平臺上開始使用。

    共形設計漸成大勢所趨

    共形天線之所以備受青睞，離不開其自身的獨特優勢。共形天線與載體的完美融合，使武器平臺保持了較好的隱身特性和氣動布局。當共形天線與導彈結合時，能在不改變導彈尺寸的情況下，進一步提升導彈對目標的適應能力和打擊精度。發展完善的共形天線，事實上為武器平臺披上了一身“雷達外衣”，即便是普通戰鬥機也能通過滿身的天線實施偵察監視和電子戰任務，從而節省了偵察機和電子戰飛機的研發投入。

    就拿近年來得到高度關注的智能蒙皮來説，以往放置在機頭的戰鬥機雷達佔據了龐大的機上空間，做成智能蒙皮後雷達可以放在機身的任何部位，使飛機性能得到大幅提升。智能蒙皮的出現還能在更大空域和更遠距離實現對目標的掃描和探測。採用共形天線，對武器平臺的載重、大小等幾乎沒有什麼特殊要求，就連水面艦艇都能實現天線與桅桿、艦橋的一體化設計，應用范圍極為廣泛。

    從2004年開始，美國空軍和雷神公司就開始對X波段薄型相控陣雷達進行研究，其採用的天線技術正是共形天線。美國國家航空航太局和美國空軍支援的“係統研發型飛行器”項目也在智能蒙皮技術上取得重大突破。通過超材料設計，這一項目將F-18“大黃蜂”的垂尾變身成為機載通信天線和合成孔徑雷達，可實現“全方位、多任務”快速雷達波束掃描。目前，這一技術已經被應用于美軍F-22“猛禽”、F-35“閃電”戰鬥機以及“全球鷹”無人機上。

    目前，美國空軍仍在支援多個共形天線項目研發。其中“結構一體化X波段陣列”項目，就曾在波音707飛機機翼上安裝過64單元共形天線。在“感測器飛機共形低波段天線結構”項目中，研究人員通過在飛機機翼前緣安裝有源相控陣共形雷達係統，充分研究了機翼彎曲對共形天線陣列性能的影響。美國空軍的“感測器飛機”項目專門制造了一款超高頻共形有源相控陣雷達天線，美國海軍的協同交戰係統艦載通信終端也採用了圓柱形共形相控陣天線。

    此外，美國國防部高級研究計劃局還專門制定了《推動智能蒙皮天線技術快速發展》計劃。歐洲研究人員也在為無人機量身打造一款曲面掃描天線，相當于直接把天線貼在了無人機表面。

    未來軍民兩用前景廣闊

    伴隨著共形天線技術的快速發展，未來一個時期共形天線將在軍事和民用領域擁有更加廣闊的發展空間。諸如飛機、導彈、衛星、軍艦、潛艇、坦克等武器平臺，都將向著優化天線設計、實現天線與武器平臺結構共形方向加速發展。預計共形天線將在無人機或導彈上實現最大化應用。尤其是小型無人機可以充分發揮共形天線的優勢，將整個無人機平臺外表層都作為雷達天線，實施更為廣泛的偵察通信、雷達成像等任務。

    在民用領域，共形天線的出現更意味著一場“頭腦風暴”。就像人類感知冷暖需要有皮膚一樣，車輛要想做到“智能”，同樣也需要自己的“皮膚”。共形天線將為未來智能汽車提供遍布全身的雷達感測器網絡，實現感測器整合的最優解。目前已經出現將5G多頻共形天線“穿”在身上的未來汽車概念，將推動車輛網絡化技術快速發展。

    以智能蒙皮為代表的共形天線技術也屬于感測器網絡的一支，隨著物聯網在軍民兩用領域的推進，共形天線有望實現不同平臺間的互聯互通。法國軍備總局此前就計劃將智能蒙皮用于高空和長續航無人機項目，還計劃為A-400M預警機加裝遠距離監視天線。人們甚至還打算把共形天線穿到身上。美國研究人員已經基于紡織制造技術研制出一款織物天線，通過在柔性布料基體中嵌入直徑為0.1毫米的特殊導電材料，成功實現了織物天線功能。

    未來，柔性共形天線是天線技術發展的熱門方向。以大型預警機為例，採用柔性共形天線後不再需要額外背負“圓盤”或“平衡木”之類的機外天線，只需機身就能實現探測預警。同時，柔性共形天線佔用機內空間少，也有助于減少武器平臺體積重量，提升機動性和戰場生存能力。