區(qū)別于傳統(tǒng)相控陣天線設(shè)計(jì)技術(shù)，本文探討了智能蒙皮天線新技術(shù)。給出了智能蒙皮天線的內(nèi)涵，提出了智能蒙皮天線的體系構(gòu)架。從未來新一代戰(zhàn)機(jī)的軍事需求和戰(zhàn)術(shù)性能入手，詳細(xì)地分析了智能蒙皮天線的封裝功能層、射頻功能層、以及控制與信號(hào)處理功能層的實(shí)現(xiàn)方式。針對(duì)新一代機(jī)載平臺(tái)的應(yīng)用需求，深入地研究了智能蒙皮天線的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法。

引言

傳統(tǒng)天線的設(shè)計(jì)方式很難再適應(yīng)新一代飛機(jī)作戰(zhàn)模式和功能的需求。最近幾年興起的共形承載天線（CLAS）能很好地解決機(jī)載平臺(tái)氣動(dòng)/隱身的問題[1]。然而，這種CLAS 僅僅考慮了與飛機(jī)蒙皮的共形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的問題，在性能方面沒有實(shí)現(xiàn)天線的智能化。自二十世紀(jì)八十年代美國(guó)空軍提出智能蒙皮這項(xiàng)具有創(chuàng)新意識(shí)的新技術(shù)構(gòu)想之后，美國(guó)空軍、海軍等科研機(jī)構(gòu)都投入大量人力和物力進(jìn)行可行性預(yù)研。在此基礎(chǔ)上，Baratault 和Josefsson 等人提出了未來智能蒙皮天線的設(shè)想[2-3]，在繼承相控陣天線技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)備后端的控制與信號(hào)處理單元來實(shí)現(xiàn)天線波束的自適應(yīng)，然后這種方式實(shí)現(xiàn)天線的智能化是有限的。

本文提出了一個(gè)新的設(shè)計(jì)方法：天線的自適應(yīng)不僅可以依靠設(shè)備后端的控制與信號(hào)處理單元來完成，而且可以在射頻功能層實(shí)現(xiàn)輻射/散射特性可重構(gòu)，即在射頻功能層增加一維自由度。與傳統(tǒng)天線不一樣的是它不僅能實(shí)現(xiàn)設(shè)備和天線結(jié)構(gòu)的高度融合，而且能實(shí)現(xiàn)射頻功能層的電磁特性動(dòng)態(tài)調(diào)控，突破了相控陣天線僅僅依靠后端的控制與信號(hào)處理單元來實(shí)現(xiàn)天線波束自適應(yīng)。本文從新一代戰(zhàn)機(jī)的軍事需求和戰(zhàn)術(shù)性能入手，詳細(xì)地論證了智能蒙皮天線的體系構(gòu)架，分析了智能蒙皮天線的封裝功能層、射頻功能層、以及控制與信號(hào)處理功能層的構(gòu)建方式，研究了智能蒙皮天線的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法，為后期進(jìn)一步研究智能蒙皮天線奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1、智能蒙皮天線體系構(gòu)架

智能蒙皮是指在航天器、軍艦或者潛艇的外殼中嵌入智能結(jié)構(gòu)，其中包含天線、微處理控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)元件，可用于監(jiān)視、預(yù)警、隱身、通信、火控等。目前的研究方向主要是在航天器上的應(yīng)用。智能蒙皮天線的兩個(gè)特征是“蒙皮”和“智能”?！懊善ぁ蓖怀鎏炀€的共形和承載功能?！爸悄堋蓖怀鎏炀€的自適應(yīng)性，能夠根據(jù)外界的電磁環(huán)境產(chǎn)生所需要的輻射/散射特性。智能蒙皮天線要實(shí)現(xiàn)這些功能，就必須采用與載體表面共形的多層復(fù)合介電材料，在復(fù)合材料的預(yù)裝階段，在各層之間嵌入大量形狀各異或周期性放置的金屬貼片、傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、TR 電路、饋電網(wǎng)絡(luò)、傳動(dòng)裝置、以及冷卻通道等，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多層共形陣列結(jié)構(gòu)。根據(jù)智能蒙皮天線的功能組成方式，可把智能蒙皮天線劃分為封裝功能層、射頻功能層、控制與信號(hào)處理功能層，如圖1 所示。

圖1、本文提出的智能蒙皮天線體系構(gòu)架

智能蒙皮天線的封裝功能層要實(shí)現(xiàn)三大功能：一是結(jié)構(gòu)承載功能，以滿足智能蒙皮天線在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、空氣動(dòng)力學(xué)等方面的特殊要求，能起到防止氧化、衰減紫外線、防雨雪侵蝕、抵抗氣動(dòng)載荷的作用；二是系統(tǒng)散熱功能，以保證功放芯片的正常工作；三是電磁防護(hù)功能，既包括對(duì)外來電磁攻擊的防護(hù)，也包括對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部電磁干擾的防護(hù)。封裝功能層就像人的皮膚一樣[4]，具有一定的自修復(fù)能力，能對(duì)破壞產(chǎn)生敏感和響應(yīng)。

人皮膚中的血管可根據(jù)來自神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)攜帶抵抗感染的抗體到受傷部位，封裝功能層中的層埋傳感器可實(shí)時(shí)感知戰(zhàn)斗和其他事故引起的損傷，并重新向損傷區(qū)傳送信號(hào)，達(dá)到功能重組和天線智能化的目的。

智能蒙皮天線的射頻功能層可實(shí)現(xiàn)電磁信號(hào)輻射/散射特性可重構(gòu)，本文創(chuàng)新性地提出在射頻功能層采用動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)，從而完美地實(shí)現(xiàn)射頻前端、信號(hào)處理終端、以及平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)，達(dá)到電磁隱身、功能重構(gòu)、結(jié)構(gòu)仿生變形的自診斷、自修復(fù)、自適應(yīng)的目的。智能蒙皮天線與傳統(tǒng)天線的另一個(gè)區(qū)別就是撇去了傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)與飛機(jī)設(shè)計(jì)制造分離的模式，即在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造期間，就將機(jī)載天饋系統(tǒng)相對(duì)分離的結(jié)構(gòu)、電磁獨(dú)立功能組件高度集成并與飛機(jī)結(jié)構(gòu)一體化成型，打破了傳統(tǒng)天線在飛機(jī)蒙皮上開孔安裝的局限，形成可與機(jī)載平臺(tái)結(jié)構(gòu)高度融合并直接承載環(huán)境載荷的一類新型天線。

智能蒙皮天線的控制與信號(hào)處理功能層通常由波束形成系統(tǒng)、控制與功能維護(hù)系統(tǒng)、康健監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。波束形成系統(tǒng)是蒙皮天線波束自適應(yīng)的重要組成部分，具備波束指向捷變與波束形狀捷變的能力?？刂婆c功能維護(hù)系統(tǒng)是對(duì)蒙皮天線系統(tǒng)的傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)元器件、微處理器、供電電源等進(jìn)行控制，使整機(jī)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)作起來。控制與功能維護(hù)系統(tǒng)通過對(duì)蒙皮天線的MEMS 進(jìn)行控制，可使輻射單元具有電磁特性可重構(gòu)的能力，從而完成射頻功能層的電磁動(dòng)態(tài)調(diào)控[5]。健康檢測(cè)系統(tǒng)是指通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能蒙皮上的傳感器的信息，來判定整機(jī)系統(tǒng)是否正常工作。同時(shí)對(duì)戰(zhàn)斗損傷作出判斷、評(píng)估，把信息傳遞給控制與功能維護(hù)系統(tǒng)和波束形成系統(tǒng)，進(jìn)行剩余資源的重新分配、組合，以及功能重構(gòu)，完成智能蒙皮天線的智能化。

2、關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法

2.1 智能蒙皮天線的分析與綜合

運(yùn)用現(xiàn)有的電磁仿真和優(yōu)化方法對(duì)智能蒙皮天線進(jìn)行電磁特性分析和綜合時(shí)，將會(huì)遇到很多困難，嚴(yán)重制約智能蒙皮天線研究的進(jìn)展，急需在計(jì)算方法上進(jìn)行創(chuàng)新。在智能蒙皮天線與機(jī)載平臺(tái)一體化的電磁分析方面，由于機(jī)載平臺(tái)-智能蒙皮天線的聯(lián)合仿真既是宏觀尺寸很大的電大電磁問題（機(jī)載平臺(tái)環(huán)境），又是微觀結(jié)構(gòu)非常精細(xì)的電磁問題（天線單元、饋電網(wǎng)絡(luò)），可采用兩種方式進(jìn)行分析。第一種方式是采用漸進(jìn)技術(shù)的一些算法，如多層快速多極子方法，一致性幾何繞射理論等。第二種方式是采用數(shù)值計(jì)算方法，如有限元-邊界積分法，時(shí)域有限差分法等。另一方面，可采用將全結(jié)構(gòu)化整為零，對(duì)各功能單元進(jìn)行嚴(yán)格的電磁仿真，一方面使問題化小為可算問題，還可以進(jìn)一步基于仿真數(shù)據(jù)建立各功能單元電磁特性的宏模型。只有基于高效高精度的單元宏模型，配合蒙皮陣列的系統(tǒng)分析和綜合方法，才能完成大尺度機(jī)載結(jié)構(gòu)與天線一體化的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

智能蒙皮天線的一個(gè)最為挑戰(zhàn)的問題就是方向圖的優(yōu)化。智能蒙皮天線與經(jīng)典的線/面陣天線的本質(zhì)區(qū)別在于載體曲率引入了單元指向和極化狀態(tài)的差異。輻射單元包含了天線的極化信息，這些輻射單元不會(huì)像平面陣列那樣組合成公共單元因子。因此，經(jīng)典的陣列綜合方法失效，可通過采用優(yōu)化算法（如交錯(cuò)投影法、遺傳算法等）來獲得期望的輻射特性。

2.2 垂直互聯(lián)技術(shù)

高密度垂直互聯(lián)是智能蒙皮天線可實(shí)現(xiàn)性的核心技術(shù)，目前相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究較少，急需進(jìn)行新材料和新技術(shù)的探索。因此，探索并研究高密度集成的智能蒙皮天線垂直互聯(lián)，并解決彎曲結(jié)構(gòu)狀態(tài)下互聯(lián)一致性的工藝成型問題極為關(guān)鍵。智能蒙皮天線是由射頻介質(zhì)材料、低頻電路介質(zhì)材料、填充材料等多種材質(zhì)組成的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，需要?jiǎng)?chuàng)新研究天線與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)中垂直互聯(lián)問題。從輻射單元設(shè)計(jì)來看，常見的方法有耦合饋電方式和探針饋電方式，天線基板材料可選擇為低溫共燒陶瓷（LTCC）和印制電路板材（PCB），常用的垂直互聯(lián)方式有槽-帶狀線方式、多層LTCC 的微帶-微帶方式、以及類同軸線聯(lián)接方式等。

TR 組件是智能蒙皮天線的重要部件，可分為磚塊式和瓦片式。磚塊式TR 組件子陣設(shè)計(jì)和制造工藝要求較低，該組件集成密度較低，散熱能力差，無法在智能蒙皮天線上得到應(yīng)用。瓦片式TR 組件具有優(yōu)良的散熱能力, 子陣集成度高，在降低TR 組件成本、減小體積尺寸、減輕設(shè)備重量方面具有優(yōu)勢(shì)，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模共形陣列。瓦片式集成的子陣模塊采用分層結(jié)構(gòu)，將多個(gè)通道相同功能的芯片或電路集成在數(shù)個(gè)平行放置的瓦片上，通過采用倒裝芯片焊接方式實(shí)行垂直互聯(lián)。智能蒙皮天線的基本瓦片層包括GaAs 層/GaN 層、冷卻層、控制電路層、饋電層、以及驅(qū)動(dòng)層，等。瓦片式子陣?yán)酶呙芏冉M裝技術(shù)，大幅度減小了縱向高度、重量與成本，但是需要新穎的互聯(lián)技術(shù)，完成各層之間、子陣模塊與信號(hào)分配板之間的信號(hào)交換。可結(jié)合目前常用的LTCC 基板和多層聚合物電路基板，采用新工藝改善基板的平整度、加工精度、裝配精度、以及設(shè)計(jì)可靠性，來完成瓦片式TR 組件的垂直互聯(lián)設(shè)計(jì)。此外，還需要處理好毗鄰器件可能發(fā)生的耦合效應(yīng)、中間層熱設(shè)計(jì)、測(cè)試性、以及維修性設(shè)計(jì)，等。

2.3 射頻隱身技術(shù)

一直以來，人們都認(rèn)為天線輻射特性和散射特性之間存在一定關(guān)系[6]，卻很少有文獻(xiàn)研究這方面的問題?，F(xiàn)代的天線隱身技術(shù)強(qiáng)調(diào)RCS 的調(diào)控與戰(zhàn)術(shù)的配合，實(shí)現(xiàn)天線的低可觀測(cè)/低截獲概率（LO/LPI），以達(dá)到對(duì)天線系統(tǒng)RCS 在時(shí)域、空域和頻域上的有效管理。通常LO/LPI 技術(shù)都需要不斷加強(qiáng)天線罩、天線腔、天線設(shè)計(jì)的開發(fā)，以此作為共用子系統(tǒng)的交互元件，使帶內(nèi)、帶外RCS 更小。采用智能蒙皮天線技術(shù)，可有效取消飛行器上的外露天線，將其上的各種天線與機(jī)翼、機(jī)身蒙皮結(jié)合起來，甚至將若干分離的單功能天線綜合成多功能天線孔徑，可以有效地利用飛行器的表面積、減輕重量、降低飛行器氣動(dòng)阻力，同時(shí)也極大地減少RCS 面積?？梢?，采用智能蒙皮天線是實(shí)現(xiàn)天線氣動(dòng)/隱身設(shè)計(jì)的有效方案之一。

與傳統(tǒng)共形陣列概念不同的是，智能蒙皮不僅需要完成飛行器天線所有的工作任務(wù)，還要自適應(yīng)地逃避對(duì)方探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線系統(tǒng)的隱身控制。也就是說，智能蒙皮天線不但從結(jié)構(gòu)方面有利于飛行器氣動(dòng)/隱身一體化外形設(shè)計(jì)，而且更重要的是，它能夠自適應(yīng)地調(diào)控天線輻射/散射特性，包括：進(jìn)行時(shí)域調(diào)控達(dá)到時(shí)域隱身、頻域調(diào)控達(dá)到頻域隱身、空域調(diào)控達(dá)到空域隱身，從而按需實(shí)時(shí)地重構(gòu)時(shí)域/空域/頻域散射特性，實(shí)現(xiàn)LO/LPI。傳統(tǒng)的天線隱身技術(shù)主要關(guān)注RCS 的降低，隨著當(dāng)代電磁環(huán)境的日趨復(fù)雜和對(duì)抗的日益加劇，僅僅關(guān)注RCS 指標(biāo)的傳統(tǒng)天線隱身技術(shù)已經(jīng)不能滿足良好的天線系統(tǒng)輻射/隱身雙重目標(biāo)。天線必須保證自身電磁波的正常發(fā)射和接收，因此傳統(tǒng)的隱身措施不可能簡(jiǎn)單地在實(shí)現(xiàn)天線LO/LPI 中獲得應(yīng)用，必須進(jìn)行新技術(shù)的創(chuàng)新。采用輻射/散射特性可重構(gòu)技術(shù)，可很好地實(shí)現(xiàn)LO/LPI 的動(dòng)態(tài)調(diào)控，達(dá)到智能蒙皮天線隱身設(shè)計(jì)的目的。

2.4 智能控制技術(shù)

智能控制通常包括電磁特性調(diào)控子系統(tǒng)、健康監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、功能維護(hù)子系統(tǒng)，通過對(duì)智能蒙皮天線系統(tǒng)中的傳感器、驅(qū)動(dòng)裝置、微處理器、供電電源等進(jìn)行控制，使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)作。

電磁特性調(diào)控子系統(tǒng)主要通過兩種方式實(shí)現(xiàn)。一是在射頻功能層中實(shí)現(xiàn)，通過射頻可重構(gòu)技術(shù)，用射頻開關(guān)直接調(diào)控射頻部分的輻射陣元或饋電網(wǎng)絡(luò)。二是在信號(hào)處理層中實(shí)現(xiàn)，通過向射頻功能層提供不同的輸入信號(hào)方案，達(dá)到對(duì)電磁特性的調(diào)控。

健康監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能蒙皮天線是否能健康工作，為了實(shí)現(xiàn)這一功能，需要在智能蒙皮天線中嵌入對(duì)各個(gè)部分狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)狀態(tài)感知、狀態(tài)信息傳輸、狀態(tài)信息分析等任務(wù)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能蒙皮上的傳感器的信息，來判定整個(gè)系統(tǒng)是否正常工作，并把判定結(jié)果傳遞給功能保護(hù)系統(tǒng)。如在智能蒙皮天線的封裝功能層內(nèi)埋置光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)相連，可對(duì)天線設(shè)備陣面各處應(yīng)力、溫度等諸多參量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；若再將計(jì)算機(jī)與執(zhí)行系統(tǒng)相連，則可動(dòng)態(tài)調(diào)整封裝功能層的防護(hù)罩結(jié)構(gòu)，以獲得最佳的電氣性能。在天線電磁性能監(jiān)測(cè)方面，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須包括信號(hào)的采集分析及控制信號(hào)的傳輸。具有有源收發(fā)模塊的智能蒙皮相控陣天線，可以采用一種內(nèi)置性能監(jiān)控與故障隔離校正（PM/FIC）系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[7]。

功能維護(hù)子系統(tǒng)提高了飛機(jī)的可用性，它能夠在健康監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)報(bào)告部分單元損毀的情況下，通過功能維護(hù)子系統(tǒng)啟動(dòng)備用單元或啟用備用算法，進(jìn)行硬件補(bǔ)償或軟件補(bǔ)償，完成資源的重新分配、組合以及功能重構(gòu)，保障系統(tǒng)功能繼續(xù)正常發(fā)揮。例如，前面提及的PM/FIC 系統(tǒng)中，當(dāng)健康監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障單元、完成故障隔離后，功能維護(hù)系統(tǒng)通過微處理器中的糾錯(cuò)算法發(fā)送控制信號(hào)到波束形成單元、幅度控制器、以及指令譯碼器中以調(diào)整天線單元輻射信號(hào)的幅度及相位從而達(dá)到對(duì)系統(tǒng)功能的維護(hù)，該系統(tǒng)的糾錯(cuò)算法主要采用的是旁瓣消除法。

2.5 熱設(shè)計(jì)技術(shù)

當(dāng)飛行器高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，高性能戰(zhàn)斗機(jī)的蒙皮表面溫度能達(dá)到200℃，而飛彈、火箭等載體的某些部位的蒙皮表面溫度能達(dá)到1000℃ 以上。

而層埋在智能蒙皮里的光纖尤其是砷化稼芯片只能承受低于145℃的溫度, 溫度超過120℃，電子設(shè)備就失效。因此，必須尋求一種方法，在熱量傳入埋在飛機(jī)蒙皮表面之下的射頻功能層以前就能將其散發(fā)。另一方面，從智能蒙皮內(nèi)部來看，高密集組裝已經(jīng)形成過熱危險(xiǎn)，尤其是大功率毫米波相控陣天線，其內(nèi)部的熱耗高達(dá)幾百甚至上千瓦。因此，對(duì)于包含眾多TR 組件等有源單元的智能蒙皮天線，在采用三維多層集成電路時(shí)，系統(tǒng)散熱是一個(gè)必須在系統(tǒng)體系架構(gòu)規(guī)劃時(shí)就要解決好的問題。

電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)是智能蒙皮天線可靠性設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，熱設(shè)計(jì)的目的是要保證電子元器件及設(shè)備在規(guī)定的熱環(huán)境下，能安全正常地工作。從目前的設(shè)計(jì)方式上看，強(qiáng)迫風(fēng)冷和液體冷卻已經(jīng)在機(jī)載平臺(tái)上得到應(yīng)用。當(dāng)機(jī)載平臺(tái)對(duì)冷卻系統(tǒng)的體積和重量要求不十分嚴(yán)格，且熱功率密度分布不高的條件下，強(qiáng)迫風(fēng)冷不失為一種好的選擇，它省去了液體冷卻系統(tǒng)的冷卻泵和動(dòng)力源，較為簡(jiǎn)潔、廉價(jià)。但在大多數(shù)情況下，尤其是毫米波頻段甚至更高頻段，高性能、高密度集成是智能蒙皮天線的一大特點(diǎn)，導(dǎo)致熱設(shè)計(jì)成為一個(gè)極難解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，直接在多功能芯片下面埋置液冷管道是可選的解決方案之一。從系統(tǒng)體系架構(gòu)角度考慮，散熱層應(yīng)該充分利用系統(tǒng)內(nèi)部未放置元器件的空間以盡量減小系統(tǒng)總體體積，并且達(dá)到使系統(tǒng)整體更穩(wěn)固的作用。從系統(tǒng)散熱性能及效率角度看，散熱層應(yīng)主要置于系統(tǒng)產(chǎn)熱較多芯片周圍，例如TR 組件功放芯片的下方，并且與熱源器件之間保持良好的熱傳導(dǎo)，以達(dá)到高效散熱效果。

3、結(jié)論

智能蒙皮天線的研究是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道較少。本文區(qū)別于傳統(tǒng)相控陣天線設(shè)計(jì)技術(shù)，提出了智能蒙皮天線的體系構(gòu)架和實(shí)現(xiàn)方法。并從未來新一代戰(zhàn)機(jī)的軍事需求和戰(zhàn)術(shù)性能入手，詳細(xì)地分析了智能蒙皮天線的封裝功能層、射頻功能層、以及控制與信號(hào)處理功能層的實(shí)現(xiàn)方式。針對(duì)新一代機(jī)載平臺(tái)的應(yīng)用需求，深入地研究了智能蒙皮天線的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。