智能蒙皮天线分布式设计研究

摘 要： 探讨智能蒙皮天线分布式设计总体方法，采用结构功能一体化天线设计技术，实现智能蒙皮天线的子阵单元设计，然后研究空天飞行器的智能蒙皮天线分布式布局、分布式体系架构以及功能实现。最后探讨智能蒙皮天线分布式波束综合方法，通过合理调用智能蒙皮天线子阵单元数和多空天飞行器联合资源整合，实现智能蒙皮天线的波束自适应；每个子阵单元均采用方向图可重构技术，实现智能蒙皮天线的高增益宽角域扫描，解决经典相控阵天线在大扫描角度上阵列增益损失过大的缺陷；在宽带分布式阵列波束合成上，采用基于数字延时的子阵波束合成方法，解决智能蒙皮天线分布式波束合成与对准。这些方法为进一步研究智能蒙皮天线奠定了技术基础。

关键词： 智能蒙皮天线； 分布式； 可重构； 延时滤波； 波束对准； 自适应

中图分类号： TN82?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）17?0123?05

Abstract： The overall distributed design methods of smart skin antennas are discussed in this paper. The structure?function incorporate antenna design technique is used to realize the subarray unit design of smart skin antennas. The distributed layout， distributed system structure and function implementation of smart skin antennas of aerocraft are researched. The distributed beam synthetic method of smart skin antennas is discussed. The number of subarray cell of smart skin antennas is called reasonably and the joint resources of multi?aerocraft are integrated to realize the beam adaption of smart skin antennas. The pattern reconfigurable technique is adopted in each subarray unit to realize the high gain and wide angle scanning of smart skin antennas， and reduce the array gain loss of classical phased?array antenna within large scanning angle scope. The subarray beamforming method based on digital delay is used for wideband distributed array beamforming to realize the distributed beamforming and alignment of the smart skin antennas. These methods lay a technique foundation for further studying the smart skin antennas.

Keywords： smart skin antenna； distribution； reconfiguration； delay filtering； beam alignment； adaption

0 引 言

智能蒙皮天線是一项复杂的系统工程，从概念研究、单元级别的垂直互联发展到演示功能原理的实验样件，智能蒙皮天线关键技术经历了快速发展，取得了一系列技术突破。文献[1]在1997年报道了智能蒙皮共形承载天线在机载平台上的技术发展现状，给出共形天线孔径的设计、共形承载天线的组成与制造等一系列关键技术。作为美国的第六/七代飞行器的预先研究计划之一，美国在2003年正式启动了变形飞机结构（MAS）项目，该传感器系统的重要组成部分就是智能蒙皮天线，要求天馈系统设备与机体高度共形，具备一定的变形能力，以适应机体变形飞行状态并满足天线电气性能[2?3]。文献[4]在2008年报道了一种智能蒙皮天线单元设计方法，采用蜂窝状夹层结构，将微带天线单元嵌入其中，这种设计不但具有良好的承载能力，还具备优秀的辐射性能，并将该智能蒙皮天线单元进行组阵设计，实现了±45°扫描。文献[5]在2013年报道了可变形共形阵列的设计方法，通过嵌入在柔性阵列的电阻传感器阻值的变化控制柔性阵列每个通道的衰减器和移相器，并进行射频通道的幅相补偿，实现柔性阵列的波束自适应，从而验证了智能蒙皮天线在空天飞行器上应用的可行性。

最近，笔者研究了智能蒙皮天线的体系架构与关键技术实现方法[6]，提出在射频功能层采用可重构技术和在后端采用信号处理的方法，实现单个孔径的智能蒙皮天线波束自适应，解决传统相控阵天线仅仅依靠信号处理方式实现天线波束自适应的局限性。在2015年，笔者进一步报道了智能蒙皮天线的结构功能一体化高密度集成设计方法[7]，将传统天馈系统的天线阵面、收发电路、热控装置、馈电网络等独立组件高度集成并一体化成型，实现与空天飞行器平台高度融合、并直接承载环境载荷的一类新型天线。目前，通过查阅大量文献资料，国内外很难找到关于智能蒙皮天线分布式设计方法的研究报道，本文针对空天飞行器平台的应用特点，在前期研究成果的基础上[6?7]，进一步研究智能蒙皮天线的分布式总体设计方法、总体架构以及波束综合方法，为智能蒙皮天线的进一步研制奠定技术基础。

1 智能蒙皮天线分布式总体方案

1.1 智能蒙皮天线分布式布局

智能蒙皮天线分布式硬件架构的核心思想是将不同规模、形状各异、多种功能的宽带/超宽带智能蒙皮天线子阵单元分布于空天飞行器周身，取代传统空天飞行器上众多独立功能的天线孔径，将高度综合化推进到天线射频前端和集中式处理终端[8?10]，并实时控制天线射频前端和集中式处理终端的资源，构建出兼具多类任务管理，实现雷达探测、数据通信、导航识别、电子侦察、电子干扰、遥测遥感、态势感知的智能化天馈系统。

如图1所示，智能蒙皮天线子阵单元的体系架构分为三大功能层，即射频功能层、控制与信号处理功能层以及封装功能层。每个智能蒙皮天线子阵单元可通过控制射频功能层的可重构辐射阵列和TR芯片，实现子阵单元的电磁辐射/散射可重构，同时通过控制波控电路实现子阵单元的波束自适应。整个智能蒙皮天线的分布式布局采用“分布式孔径?子阵单元?集中式处理终端”的格局，把不同规模的子阵单元沿着空天飞行器表面共形布置，最大限度地利用空天飞行器表面积。

空天飞行器不同位置的子阵单元可独立控制，实现多功能分时传感器协同，或多个子阵单元分别工作于不同传感器状态形成同时传感器协同（采用多种独立信号波形），实现分布式多孔径智能协同探测，形成更宽的视场角，瞬时进行大空域范围的目标搜索以消除探测盲区，并能实现良好隐身。同时，多个子阵单元可进行射频级信息融合，构建通用、开放、可扩展的子阵天线系统，支持故障重构、功能重构，为空间信息网络的电子侦察与对抗、雷达探测、空间态势感知、通信与传输提供通用化的载荷平台，在一个节点上实现多功能的综合应用，完成天馈系统的自诊断、自修复、自适应。

1.2 智能蒙皮天线分布式体系架构

图2给出了智能蒙皮天线分布式体系架构。若干个子阵单元通过子阵波束控制网络、光纤信号网络以及传感控制网络相连于集中式处理终端，实现资源的共享与任务分配。在透波防护承载层（封装功能层）里集成了子阵单元的光纤传感器和微机电开关，并通过传感控制网络将信息传给集中式处理终端。射频功能层主要包括可重构阵列、TR多功能芯片、可重构馈电网络以及高密度集成中频信道，其中TR多功能芯片集成了收发开关、功率放大器、低噪放大器、移相器、馈电网络、数字控制、高速串行接口、温度补偿以及AD/DA串口等器件，并通过光纤信号网络与集中式处理终端相连。控制与信号处理功能层主要由波控电路、低频信号网络以及DC电源组成，并通过子阵波束控制网络与集中式处理终端相连。

智能蒙皮天线子阵单元采用结构功能一体化设计制造技术[7，11]，将天线的透波防护承载层、光纤传感器、微机电开关、可重构阵列、TR多功能芯片、热控装置、AD/DA转换、波控电路、低频信号网络、DC电源等高密度集成，形成若干个“轻”“薄”的不同规模、不同形状的宽带/超宽带相控阵天线。每个智能蒙皮天线子阵单元均具有独立的功能，可独立工作或与其他子阵单元联合工作，通过感知外界电磁环境，产生所需要的辐射/散射特性。嵌入在透波防护承载层里的光纤传感器实时感知空天飞行器蒙皮表面的应力/阻值变化，确定智能蒙皮天线子阵单元在空天飞行器执行任务过程中是否受到损坏，并把信息通过传感控制网络传递给集中式处理终端，实现智能蒙皮天线的故障自诊断。集中式处理终端根据自诊断结果，确定是否启动故障隔离模式，并通过子阵波束控制网络传给子阵单元的波控电路，对其TR多功能芯片的工作状态进行控制，并进行故障隔离，同时启用冗余设计，让其他子阵单元参与工作，确保智能蒙皮天线的性能，实现电磁性能的自修复。与此同时，集中式处理终端通过传感控制网络对智能蒙皮天线子阵单元的可重构辐射阵列进行控制，完成可重构辐射单元在目标方向的方向图可重构，同时根据用户发送的角域指令，结合每个智能蒙皮天线子阵单元的实时位置信息，计算出每个子阵单元的波束偏离目标方向的角度，并把该角度信息通过子阵波束控制网络传送给子阵单元的波控电路，计算出位置信息补偿码，完成对TR多功能芯片幅度和相位的实时补偿，实现每个智能蒙皮天线子阵单元波束与目标信号的对准。最后每个子阵单元的波控电路将计算好的移相码发送给TR多功能芯片，完成智能蒙皮天线分布式波束的合成与扫描，最终实现智能蒙皮天线的波束自适应。

2 智能蒙皮天线波束综合方法

作为一种体系架构，一旦将蒙皮天线技术赋予智能化设计，并与分布式天线概念相结合，就会产生新的系统架构和新的研究课题。空天飞行器智能蒙皮天线采用分布式设计架构，一个最为挑战的问题就是方向图的综合。

2.1 智能蒙皮天线波束自适应方法

智能蒙皮天线采用分布式硬件架构，通过集中式处理终端对每个子阵单元進行独立控制和组合，实现功能重构，以满足空天飞行器的多种传感器功能。智能蒙皮天线根据用户需求，对分布于空天飞行器周身的天线子阵单元实行自组织与最优的资源调度，通过复杂环境的电磁感知，自适应优化工作方式，获取最优性能。

如图3所示，当需要探测最大距离时，可最大化地将智能蒙皮天线子阵单元利用起来，获得最大蒙皮天线孔径，最大限度地利用多个子阵单元合成最大增益（情形1）；为了实现射频动态隐身，减小辐射，用户可通过集中式处理终端选择部分智能蒙皮天线子阵单元，合成较小的孔径增益（情形2）；在执行多个任务和目标时，可将智能蒙皮天线子阵单元的可重构阵列进行资源分组，合成不同功能的多个蒙皮天线孔径，同时覆盖多个目标，实现资源的最佳利用（情形3）。图4表明，针对多个空天飞行器组合，可以实现多空天飞行器联合的子阵单元资源调度，从而完成最佳资源整合，实现用户需要的功能指标。

2.2 智能蒙皮天线波束扫描方法

智能蒙皮天线分布式设计的目的是希望能研制出一个共用的分布式射频硬件平台[12]，将雷达、通信、导航、识别、电子战、遥感、遥测等多种功能集成在一起，利用一个公共的集中式处理终端，实现其功能，完成不同的任务。每个智能蒙皮天线子阵单元或多个子阵单元合成的蒙皮天线孔径形成的多个波束需要具备大空域扫描的能力，以便搜索不同的目标。采用方向图可重构技术[13?14]，可大幅度提升大扫描角域的阵列天线增益，减少参与波束合成的子阵单元数目和降低RCS。图5给出了智能蒙皮天线高增益宽角域扫描的实现方法，首先将待扫描空间划分为多个扫描子区域，每个子区域由方向图可重构天线的一个模式对应覆盖，然后当天线在一个子区域进行扫描时，每个可重构单元都处于方向图覆盖该区域的模式，从而使用多模式联合覆盖实现大角度扫描，该方法可解决经典相控阵天线在大扫描角度上阵列增益损失过大的缺陷。

对于任意曲面智能蒙皮天线，要实现高增益阵列天线大扫描角全空域覆盖，需要划分8个子区域，每个子区域对应方向图可重构天线的一个模式；当智能蒙皮天线波束扫描在子区域1时，需要启动方向图可重构天线的模式1，如图6所示，从而实现子区域1的高增益扫描覆盖，其他子區域和对应模式实现方法相同，最终通过8个模式联合覆盖实现大角度扫描和智能蒙皮天线的高增益。

2.3 智能蒙皮天线波束赋形与对准

波束赋形是分布式天线方向图综合的核心问题[15]，智能蒙皮天线分布式设计的最大难点就是大规模宽带阵列的波束形成与对准。大规模宽带阵列的信号合成面临两个挑战：一是“空间色散”现象，即信号频率的偏移，会导致智能蒙皮天线波束指向出现偏移，并随着信号频率的增加，主瓣宽度也会改变，频率越高，主瓣宽度越小；二是“时间色散”现象，即大孔径渡越时间会造成智能蒙皮天线每个辐射阵元的信号无法同相叠加，最终合成输出的是一个畸形包络脉冲信号。解决上述问题的方法是采用数字延时的子阵波束合成技术，即把整个智能蒙皮天线划分为多个分布式子阵，每个子阵是独立的智能蒙皮天线子阵单元，然后把每个子阵单元输出信号进行延时校正，最终实现接收信号的波束合成和与目标信号的对准，如图7所示。而对于发射状态，可根据接收状态的补偿权值，计算出发射频率的阵列相应权值，完成发射状态的补偿，最终实现智能蒙皮天线发射信号的空间功率合成。

为了实现智能蒙皮天线阵列的波束合成与对准，系统需要完成两个步骤：第一是每个子阵单元的波束合成和与目标对准；第二是所有分布式子阵单元的信号合成。每个子阵单元的波束合成和与目标信号的对准可以利用阵列信号处理进行空间谱估计的方法实现，或者利用电子罗盘和空天飞行器航电系统信息，建立机身、地球、子阵单元三个坐标系，经过两次坐标欧拉变换，获取子阵单元相对于目标信号偏离的角度，计算出子阵单元每个通道的权值，实现每个子阵单元的波束合成和与目标对准。所有分布式子阵的信号合成可采用延时滤波器的设计方法，如Farrow滤波器方法，该方法只需改变Farrow滤波器的输入延时参数，就可以实现信号合成。

图8给出了采用传统方法和Farrow滤波器设计方法仿真的12个子阵的信号合成例子，为了便于编程实现，假设每个子阵规模均取为8×8，子阵之间的间距取为2个波长，“一”字排开，中心频率为30.2 GHz，带宽为1.6 GHz， Farrow滤波器阶数取为26，信号合成的波束指向为45°。从图8可以看出，传统方法情况下，天线工作频率由中心频率30.2 GHz移至边频29.4 GHz时，阵列波束主瓣指向出现1.5°偏差，即指向变为46.5°，而采用Farrow滤波器设计方法时，天线工作频率由中心频率30.2 GHz移至边频29.4 GHz时，智能蒙皮天线阵列波束指向偏差仅为0.01°。

3 结 论

智能蒙皮天线采用分布式设计技术实现波束自适应，需要在时间、空间、频率、能量四个维度对系统资源进行“智能化”的配置管理，并将整个载体平台划分成不同的区域，每个区域既可以形成不同的波束，也可以形成合成波束照射目标，每个区域相当于一部独立工作的电子设备，能完成预定的任务，区域之间又能协同工作，同时实现多种功能。本文主要探讨了智能蒙皮天线的分布式设计总体方法，给出了空天飞行器的智能蒙皮天线分布式布局、分布式体系架构以及波束综合方法，为下一步研制空天飞行器智能蒙皮天线原理样机奠定了技术基础。

图8 波束形成与对准的数值仿真

Fig. 8 Numerical simulation of beamforming and alignment

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