區(qū)別于傳統(tǒng)相控陣天線設計技術，本文探討了智能蒙皮天線新技術。給出了智能蒙皮天線的內涵，提出了智能蒙皮天線的體系構架。從未來新一代戰(zhàn)機的軍事需求和戰(zhàn)術性能入手，詳細地分析了智能蒙皮天線的封裝功能層、射頻功能層、以及控制與信號處理功能層的實現(xiàn)方式。針對新一代機載平臺的應用需求，深入地研究了智能蒙皮天線的關鍵技術和實現(xiàn)方法。

引言

傳統(tǒng)天線的設計方式很難再適應新一代飛機作戰(zhàn)模式和功能的需求。最近幾年興起的共形承載天線（CLAS）能很好地解決機載平臺氣動/隱身的問題[1]。然而，這種CLAS 僅僅考慮了與飛機蒙皮的共形設計和結構力學的問題，在性能方面沒有實現(xiàn)天線的智能化。自二十世紀八十年代美國空軍提出智能蒙皮這項具有創(chuàng)新意識的新技術構想之后，美國空軍、海軍等科研機構都投入大量人力和物力進行可行性預研。在此基礎上，Baratault 和Josefsson 等人提出了未來智能蒙皮天線的設想[2-3]，在繼承相控陣天線技術的基礎上，通過設備后端的控制與信號處理單元來實現(xiàn)天線波束的自適應，然后這種方式實現(xiàn)天線的智能化是有限的。

本文提出了一個新的設計方法：天線的自適應不僅可以依靠設備后端的控制與信號處理單元來完成，而且可以在射頻功能層實現(xiàn)輻射/散射特性可重構，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現(xiàn)設備和天線結構的高度融合，而且能實現(xiàn)射頻功能層的電磁特性動態(tài)調控，突破了相控陣天線僅僅依靠后端的控制與信號處理單元來實現(xiàn)天線波束自適應。本文從新一代戰(zhàn)機的軍事需求和戰(zhàn)術性能入手，詳細地論證了智能蒙皮天線的體系構架，分析了智能蒙皮天線的封裝功能層、射頻功能層、以及控制與信號處理功能層的構建方式，研究了智能蒙皮天線的關鍵技術和實現(xiàn)方法，為后期進一步研究智能蒙皮天線奠定了技術基礎。

1、智能蒙皮天線體系構架

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構，其中包含天線、微處理控制系統(tǒng)和驅動元件，可用于監(jiān)視、預警、隱身、通信、火控等。目前的研究方向主要是在航天器上的應用。智能蒙皮天線的兩個特征是“蒙皮”和“智能”。“蒙皮”突出天線的共形和承載功能。“智能”突出天線的自適應性，能夠根據外界的電磁環(huán)境產生所需要的輻射/散射特性。智能蒙皮天線要實現(xiàn)這些功能，就必須采用與載體表面共形的多層復合介電材料，在復合材料的預裝階段，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、微機電系統(tǒng)（MEMS）、TR 電路、饋電網絡、傳動裝置、以及冷卻通道等，形成結構復雜的多層共形陣列結構。根據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架

智能蒙皮天線的封裝功能層要實現(xiàn)三大功能：一是結構承載功能，以滿足智能蒙皮天線在結構強度、空氣動力學等方面的特殊要求，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；三是電磁防護功能，既包括對外來電磁攻擊的防護，也包括對系統(tǒng)內部電磁干擾的防護。封裝功能層就像人的皮膚一樣[4]，具有一定的自修復能力，能對破壞產生敏感和響應。

人皮膚中的血管可根據來自神經網絡的信號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時感知戰(zhàn)斗和其他事故引起的損傷，并重新向損傷區(qū)傳送信號，達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現(xiàn)電磁信號輻射/散射特性可重構，本文創(chuàng)新性地提出在射頻功能層采用動態(tài)調控技術，從而完美地實現(xiàn)射頻前端、信號處理終端、以及平臺一體化設計，達到電磁隱身、功能重構、結構仿生變形的自診斷、自修復、自適應的目的。智能蒙皮天線與傳統(tǒng)天線的另一個區(qū)別就是撇去了傳統(tǒng)天線設計與飛機設計制造分離的模式，即在飛機設計制造期間，就將機載天饋系統(tǒng)相對分離的結構、電磁獨立功能組件高度集成并與飛機結構一體化成型，打破了傳統(tǒng)天線在飛機蒙皮上開孔安裝的局限，形成可與機載平臺結構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處理功能層通常由波束形成系統(tǒng)、控制與功能維護系統(tǒng)、康健監(jiān)測系統(tǒng)等組成。波束形成系統(tǒng)是蒙皮天線波束自適應的重要組成部分，具備波束指向捷變與波束形狀捷變的能力。控制與功能維護系統(tǒng)是對蒙皮天線系統(tǒng)的傳感器、驅動裝置、檢測元器件、微處理器、供電電源等進行控制，使整機系統(tǒng)能夠正常運作起來。控制與功能維護系統(tǒng)通過對蒙皮天線的MEMS 進行控制，可使輻射單元具有電磁特性可重構的能力，從而完成射頻功能層的電磁動態(tài)調控[5]。健康檢測系統(tǒng)是指通過實時監(jiān)測智能蒙皮上的傳感器的信息，來判定整機系統(tǒng)是否正常工作。同時對戰(zhàn)斗損傷作出判斷、評估，把信息傳遞給控制與功能維護系統(tǒng)和波束形成系統(tǒng)，進行剩余資源的重新分配、組合，以及功能重構，完成智能蒙皮天線的智能化。

2、關鍵技術與實現(xiàn)方法

2.1 智能蒙皮天線的分析與綜合

運用現(xiàn)有的電磁仿真和優(yōu)化方法對智能蒙皮天線進行電磁特性分析和綜合時，將會遇到很多困難，嚴重制約智能蒙皮天線研究的進展，急需在計算方法上進行創(chuàng)新。在智能蒙皮天線與機載平臺一體化的電磁分析方面，由于機載平臺-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（機載平臺環(huán)境），又是微觀結構非常精細的電磁問題（天線單元、饋電網絡），可采用兩種方式進行分析。第一種方式是采用漸進技術的一些算法，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)值計算方法，如有限元-邊界積分法，時域有限差分法等。另一方面，可采用將全結構化整為零，對各功能單元進行嚴格的電磁仿真，一方面使問題化小為可算問題，還可以進一步基于仿真數(shù)據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，才能完成大尺度機載結構與天線一體化的綜合優(yōu)化設計。

智能蒙皮天線的一個最為挑戰(zhàn)的問題就是方向圖的優(yōu)化。智能蒙皮天線與經典的線/面陣天線的本質區(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，這些輻射單元不會像平面陣列那樣組合成公共單元因子。因此，經典的陣列綜合方法失效，可通過采用優(yōu)化算法（如交錯投影法、遺傳算法等）來獲得期望的輻射特性。

2.2 垂直互聯(lián)技術

高密度垂直互聯(lián)是智能蒙皮天線可實現(xiàn)性的核心技術，目前相關的基礎理論研究較少，急需進行新材料和新技術的探索。因此，探索并研究高密度集成的智能蒙皮天線垂直互聯(lián)，并解決彎曲結構狀態(tài)下互聯(lián)一致性的工藝成型問題極為關鍵。智能蒙皮天線是由射頻介質材料、低頻電路介質材料、填充材料等多種材質組成的一種復合結構，需要創(chuàng)新研究天線與結構一體化設計中垂直互聯(lián)問題。從輻射單元設計來看，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 組件子陣設計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、減輕設備重量方面具有優(yōu)勢，易于實現(xiàn)大規(guī)模共形陣列。瓦片式集成的子陣模塊采用分層結構，將多個通道相同功能的芯片或電路集成在數(shù)個平行放置的瓦片上，通過采用倒裝芯片焊接方式實行垂直互聯(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、以及驅動層，等。瓦片式子陣利用高密度組裝技術，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，完成各層之間、子陣模塊與信號分配板之間的信號交換。可結合目前常用的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、以及設計可靠性，來完成瓦片式TR 組件的垂直互聯(lián)設計。此外，還需要處理好毗鄰器件可能發(fā)生的耦合效應、中間層熱設計、測試性、以及維修性設計，等。

2.3 射頻隱身技術

一直以來，人們都認為天線輻射特性和散射特性之間存在一定關系[6]，卻很少有文獻研究這方面的問題。現(xiàn)代的天線隱身技術強調RCS 的調控與戰(zhàn)術的配合，實現(xiàn)天線的低可觀測/低截獲概率（LO/LPI），以達到對天線系統(tǒng)RCS 在時域、空域和頻域上的有效管理。通常LO/LPI 技術都需要不斷加強天線罩、天線腔、天線設計的開發(fā)，以此作為共用子系統(tǒng)的交互元件，使帶內、帶外RCS 更小。采用智能蒙皮天線技術，可有效取消飛行器上的外露天線，將其上的各種天線與機翼、機身蒙皮結合起來，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、降低飛行器氣動阻力，同時也極大地減少RCS 面積。可見，采用智能蒙皮天線是實現(xiàn)天線氣動/隱身設計的有效方案之一。

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，還要自適應地逃避對方探測，實現(xiàn)對天線系統(tǒng)的隱身控制。也就是說，智能蒙皮天線不但從結構方面有利于飛行器氣動/隱身一體化外形設計，而且更重要的是，它能夠自適應地調控天線輻射/散射特性，包括：進行時域調控達到時域隱身、頻域調控達到頻域隱身、空域調控達到空域隱身，從而按需實時地重構時域/空域/頻域散射特性，實現(xiàn)LO/LPI。傳統(tǒng)的天線隱身技術主要關注RCS 的降低，隨著當代電磁環(huán)境的日趨復雜和對抗的日益加劇，僅僅關注RCS 指標的傳統(tǒng)天線隱身技術已經不能滿足良好的天線系統(tǒng)輻射/隱身雙重目標。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單地在實現(xiàn)天線LO/LPI 中獲得應用，必須進行新技術的創(chuàng)新。采用輻射/散射特性可重構技術，可很好地實現(xiàn)LO/LPI 的動態(tài)調控，達到智能蒙皮天線隱身設計的目的。

2.4 智能控制技術

智能控制通常包括電磁特性調控子系統(tǒng)、健康監(jiān)測子系統(tǒng)、功能維護子系統(tǒng)，通過對智能蒙皮天線系統(tǒng)中的傳感器、驅動裝置、微處理器、供電電源等進行控制，使系統(tǒng)能夠正常運作。

電磁特性調控子系統(tǒng)主要通過兩種方式實現(xiàn)。一是在射頻功能層中實現(xiàn)，通過射頻可重構技術，用射頻開關直接調控射頻部分的輻射陣元或饋電網絡。二是在信號處理層中實現(xiàn)，通過向射頻功能層提供不同的輸入信號方案，達到對電磁特性的調控。

健康監(jiān)測子系統(tǒng)負責實時監(jiān)測智能蒙皮天線是否能健康工作，為了實現(xiàn)這一功能，需要在智能蒙皮天線中嵌入對各個部分狀態(tài)進行監(jiān)測的子系統(tǒng)，負責狀態(tài)感知、狀態(tài)信息傳輸、狀態(tài)信息分析等任務。通過實時監(jiān)測智能蒙皮上的傳感器的信息，來判定整個系統(tǒng)是否正常工作，并把判定結果傳遞給功能保護系統(tǒng)。如在智能蒙皮天線的封裝功能層內埋置光纖傳感網絡，該網絡與計算機相連，可對天線設備陣面各處應力、溫度等諸多參量進行實時檢測；若再將計算機與執(zhí)行系統(tǒng)相連，則可動態(tài)調整封裝功能層的防護罩結構，以獲得最佳的電氣性能。在天線電磁性能監(jiān)測方面，健康監(jiān)測系統(tǒng)必須包括信號的采集分析及控制信號的傳輸。具有有源收發(fā)模塊的智能蒙皮相控陣天線，可以采用一種內置性能監(jiān)控與故障隔離校正（PM/FIC）系統(tǒng)進行監(jiān)測[7]。

功能維護子系統(tǒng)提高了飛機的可用性，它能夠在健康監(jiān)測子系統(tǒng)報告部分單元損毀的情況下，通過功能維護子系統(tǒng)啟動備用單元或啟用備用算法，進行硬件補償或軟件補償，完成資源的重新分配、組合以及功能重構，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，當健康監(jiān)測子系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障單元、完成故障隔離后，功能維護系統(tǒng)通過微處理器中的糾錯算法發(fā)送控制信號到波束形成單元、幅度控制器、以及指令譯碼器中以調整天線單元輻射信號的幅度及相位從而達到對系統(tǒng)功能的維護，該系統(tǒng)的糾錯算法主要采用的是旁瓣消除法。

2.5 熱設計技術

當飛行器高速運動時，高性能戰(zhàn)斗機的蒙皮表面溫度能達到200℃，而飛彈、火箭等載體的某些部位的蒙皮表面溫度能達到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℃，電子設備就失效。因此，必須尋求一種方法，在熱量傳入埋在飛機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，從智能蒙皮內部來看，高密集組裝已經形成過熱危險，尤其是大功率毫米波相控陣天線，其內部的熱耗高達幾百甚至上千瓦。因此，對于包含眾多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，系統(tǒng)散熱是一個必須在系統(tǒng)體系架構規(guī)劃時就要解決好的問題。

電子設備熱設計是智能蒙皮天線可靠性設計的一項關鍵技術，熱設計的目的是要保證電子元器件及設備在規(guī)定的熱環(huán)境下，能安全正常地工作。從目前的設計方式上看，強迫風冷和液體冷卻已經在機載平臺上得到應用。當機載平臺對冷卻系統(tǒng)的體積和重量要求不十分嚴格，且熱功率密度分布不高的條件下，強迫風冷不失為一種好的選擇，它省去了液體冷卻系統(tǒng)的冷卻泵和動力源，較為簡潔、廉價。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，導致熱設計成為一個極難解決的關鍵技術難題，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)體系架構角度考慮，散熱層應該充分利用系統(tǒng)內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，散熱層應主要置于系統(tǒng)產熱較多芯片周圍，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，以達到高效散熱效果。

3、結論

智能蒙皮天線的研究是一個復雜的系統(tǒng)工程，國內外相關報道較少。本文區(qū)別于傳統(tǒng)相控陣天線設計技術，提出了智能蒙皮天線的體系構架和實現(xiàn)方法。并從未來新一代戰(zhàn)機的軍事需求和戰(zhàn)術性能入手，詳細地分析了智能蒙皮天線的封裝功能層、射頻功能層、以及控制與信號處理功能層的實現(xiàn)方式。針對新一代機載平臺的應用需求，深入地研究了智能蒙皮天線的關鍵技術和實現(xiàn)技術。