民用飛機甚高頻天線布局的方向圖仿真

飛機在起飛、飛行、著陸階段需要與飛機和地面基站之間通過甚高頻天線進行可靠的語音和數據通信。一般在干線飛機上，會安裝兩到三副甚高頻天線，機身上能夠進行天線布局的位置有限，甚高頻天線方向圖容易受到機身外形影響，因此進行天線布局時需要重點考慮甚高頻天線的位置。本文介紹了甚高頻天線布局時需要考慮的問題，并選取機身上5個典型位置，對甚高頻通信天線在機身上不同安裝位置上的方向圖進行仿真分析，為甚高頻天線布局提供一定的參考。

【關鍵詞】甚高頻天線 天線布局 仿真分析

飛機在起飛、飛行、著陸階段需要與飛機和地面基站之間進行可靠的語音和數據通信。甚高頻（VHF）通信天線用于飛機之間和飛機與地面基站之間視距內語音和數據通信，工作頻率為118MHz～136.975MHz。VHF天線工作時應得到全向輻射，無論飛機何種姿態，均能與地面臺在工作頻段內進行可靠的雙向通信。飛機在水平飛行時，天線輻射場的垂直極化應占主要優勢。

天線的方向圖是根據方向性函數繪制的圖形，用來表示天線在各個方向上的輻射強度。由于飛機是一個幾何形狀不規則的形體，機體各部件造成反射、折射、繞射，當天線安裝在飛機上，方向圖會發生較大的變化。在干線飛機上，會安裝兩到三套甚高頻通信系統，相應的至少配置一上一下兩副甚高頻天線，甚至三副甚高頻天線，以保證能夠覆蓋各個方向。機身上能夠進行天線布局的位置有限，甚高頻天線方向圖容易受到機身外形影響，進行天線布局時需要重點考慮甚高頻天線的位置，方向圖是否滿足系統工作要求。本文介紹了甚高頻天線布局時需要考慮的問題，并選取某民用飛機機身上5個典型位置，對甚高頻通信天線在機身上不同安裝位置上的天線方向性圖進行仿真分析，為甚高頻天線布局提供一定的參考。

1 甚高頻天線布局要求

甚高頻天線布局時應滿足天線隔離度要求，天線之間的隔離度要足夠高。機身上部或者下部同側安裝的甚高頻天線應距離盡量遠，避免相鄰天線的方向圖重疊。VHF天線應配置在介質整流罩內，并具有流線型氣動力外形，以免影響飛機的氣動外形。天線應安裝在不易積水的部位，并且不應影響飛行員的視線，尤其是在著陸過程中不應妨礙駕駛員的視線。天線應盡量靠近天線系統，連接線纜應盡量短，使之有最大能量的輸出和最大信號強度的輸入。VHF天線系統一般由兩到三副天線構成全方向性圖，在方位面內進行空間全向搜索，應分別配置在機頭、機尾。為了避免天線方向性圖在滾轉面內傾斜，甚高頻天線一般都是垂直安裝在飛機的中心線上。

2 機身上可用于布置天線的區域

VHF通信天線需要與地面臺進行可靠的雙向通信，要求天線在水平面內具有全向的方向圖，對飛機上部空間和下部空間能良好覆蓋，應同時安裝在飛機的上方和下方，大多數遠程飛機會選裝第3個VHF通信天線作為備用天線。甚高頻天線布局方案以B737與A320為例，均設計了三套VHF系統天線的安裝位置，B737的甚高頻天線采用“一上兩下”的方式，其中一副位于機身頂部中心線中段，兩副分別位于機身底部中心線后段和前段。A320采用“兩上一下”的方式，其中兩副位于機身頂部中心線前段和后段，另一副位于機身底部中心線后段。

機身上可用于布置甚高頻天線的區域中，起落架有可能成為VHF天線的引向器與反射器，所以應避開并遠離起落架；垂尾會引起遮擋，應避免太靠近。當天線安裝在機身下部中區時，發動機短艙與機翼會產生反射，當飛機盤旋時，機翼還會產生屏蔽作用。因此考慮在以下5個位置布置VHF天線，如圖1所示。

3 VHF天線在不同安裝位置上的輻射特性仿真分析

使用商業軟件FEKO建模，計算VHF天線安裝在不同位置上的輻射特性。天線模型采用了一個1/4波長（128MHz）的單極子天線，飛機模型采用某民機外形尺寸，假設機身表面為全金屬飛機。全機表面網格離散尺度0.5m，使用基于矩量法的多層快速多極子算法，計算VHF天線工作頻段中點128MHz機身上VHF天線在不同站點的輻射特性。

VHF天線安裝在5個位置上時計算的方位面（XOY面、左）、滾轉面（XOZ面、中）和俯仰面（YOZ面、右）內的歸一化遠場方向性圖見圖2～6，外圈曲線表示垂直極化分量，內圈曲線表示水平極化分量。

由方位面的方向圖可看出，具有良好的對稱性，天線極化以垂直極化為主；在位置1、2和5上，天線輻射方向圖幾乎在所有方位的電平都大于-5dB；在位置3上，尾翼呈現較明顯的遮擋效應，在尾部左、右大約10度范圍內方向圖出現了不超過-10dB的凹陷。

由滾轉面的方向圖可看出，也具有良好的對稱性。單極子天線本身的特性決定了在飛機正上方和正下方一定范圍內具有通信盲區；天線安裝在機身上部時，對上半空間的覆蓋最好，普遍對下半空間覆蓋變差，但是位置1和3上的天線在下半空間的覆蓋較好，幾乎可以獲得與機身下部天線類似的水平線以下約30度范圍內的良好覆蓋；位置5在水平線以下約50度范圍內的方向圖最小電平基本都大于-5dB；安裝在2上的天線由于機翼的遮擋作用，對下半空間的覆蓋很差。

由俯仰面的方向圖可看出，由于機身和尾翼的遮擋，安裝在機背上的VHF天線在后部下半空間的覆蓋都很差，從位置1到3上的天線對前部下半空間的覆蓋逐漸變差。

綜合以上天線輻射空間覆蓋的分析可知：機身上部天線對上半空間的覆蓋好于下部天線，機身下部天線對下半空間的覆蓋好于上半空間，機身上部較好的天線位置依次是1和3，較差的是2；機身下部的兩個天線位置中的5較好，4稍差。

3 結論

本文介紹了甚高頻天線布局時需要考慮的問題，通過對某民機甚高頻通信天線在機身上幾個不同安裝位置的輻射特性進行仿真分析，建議甚高頻通信天線在該民機機身上較好的布局點在1、3和5，4稍差，VHF天線在布局時應盡量遠離垂直尾翼、起落架、機翼等部位。VHF天線安裝在機身上中部，由于機翼的屏蔽作用，使得天線方向圖變壞，影響與地面指揮臺雙向通信作用距離，應盡量避免安裝在該位置。

參考文獻

[1]梁福生，王廣學.飛機天線工程手冊[M].北京：中國民航出版社，1997.

[2]蔣楓.飛機設計手冊[M].北京：航空工業出版社，2001.

作者簡介

寧敏（1985-），女，廣西壯族自治區柳州人。現為上海飛機設計研究院工程師。研究方向為天線布局，閃電HIRF防護。

作者單位

上海飛機設計研究院 上海市 200212