超短波天線(xiàn)布局影響分析

李 鉑

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

通信系統(tǒng)是機(jī)載電子系統(tǒng)的重要組成部分，超短波頻段電臺(tái)普及程度高，使用廣泛，此頻段天線(xiàn)作為該頻段機(jī)載通信系統(tǒng)的最終輻射環(huán)節(jié)，其本身的輻射特性對(duì)最終的通信效果起到了至關(guān)重要的作用，尤其是天線(xiàn)的空域覆蓋性能，在通信環(huán)節(jié)中對(duì)空間特性比較敏感，如何保證裝機(jī)天線(xiàn)具有良好的空域覆蓋特性成為天線(xiàn)布局階段關(guān)心的重點(diǎn)。相比地面臺(tái)系統(tǒng)，機(jī)載通信系統(tǒng)對(duì)天線(xiàn)裝機(jī)尺寸、氣動(dòng)外形及環(huán)境適應(yīng)性都更嚴(yán)格，在空間尺寸限制并且要滿(mǎn)足酸性鹽霧大氣等條件下設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足使用要求的天線(xiàn)已經(jīng)對(duì)天線(xiàn)設(shè)計(jì)提出了很高的要求，特別是具有隱身特性的飛機(jī)平臺(tái)，要求天線(xiàn)不能突出機(jī)體表面，需要內(nèi)埋或與機(jī)身共形設(shè)計(jì)。天線(xiàn)安裝的局部環(huán)境的地板效應(yīng)不一致，同時(shí)由于遮擋和反射等路徑存在，天線(xiàn)裝機(jī)后輻射方向存在一定程度的輻射畸變，需要天線(xiàn)設(shè)計(jì)聯(lián)合飛機(jī)外形進(jìn)行整機(jī)布局仿真，優(yōu)化天線(xiàn)裝機(jī)后的輻射空域覆蓋率[1]。

超短波通信系統(tǒng)的機(jī)載天線(xiàn)往往受到飛機(jī)裝機(jī)環(huán)境的限制，在天線(xiàn)布局設(shè)計(jì)中存在很多具體實(shí)施的問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下兩方面。

（1）天線(xiàn)的裝機(jī)適應(yīng)性。天線(xiàn)的輻射性能要求天線(xiàn)具有一定的長(zhǎng)度，垂直極化的振子天線(xiàn)在垂直方向往往要求在中心頻點(diǎn)具有1/4波長(zhǎng)，由于飛機(jī)受氣動(dòng)外形等因素限制，天線(xiàn)高度方向會(huì)受到很大的限制，通常情況下無(wú)法按照理論的要求高度設(shè)計(jì)。同時(shí)由于天線(xiàn)的工作頻帶要求寬，需要進(jìn)行終端加載或套筒設(shè)計(jì)等手段進(jìn)行頻段展寬設(shè)計(jì)，但由于氣動(dòng)/隱身等要求機(jī)載天線(xiàn)某個(gè)方向上不能展寬，導(dǎo)致阻抗匹配難度較大，影響天線(xiàn)增益[2,3]。

（2）天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)承載性。隱身平臺(tái)或氣動(dòng)要求高的機(jī)載平臺(tái)，要求天線(xiàn)盡量少突出機(jī)體表面或不突出機(jī)體表面，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮天線(xiàn)作為飛機(jī)蒙皮的一部分，同時(shí)由于頻段較低，開(kāi)口尺寸較大，就要求天線(xiàn)同時(shí)作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)組成的一部分，這對(duì)裝機(jī)天線(xiàn)的重量、體積及裝機(jī)位置都帶來(lái)了嚴(yán)格的要求，同時(shí)需要滿(mǎn)足一定的靜強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求[4]。

本文主要針對(duì)機(jī)載特高頻（Ultra High Frequency，UHF）頻段通信天線(xiàn)裝機(jī)后輻射空域覆蓋性能的影響，分析天線(xiàn)的裝機(jī)適應(yīng)性，并根據(jù)天線(xiàn)布局組合的空域覆蓋性提出了天線(xiàn)布局建議，從而優(yōu)化機(jī)載通信性能。

1 選型分析

根據(jù)天線(xiàn)輻射的方向圖特性對(duì)常見(jiàn)的超短波頻段天線(xiàn)進(jìn)行分類(lèi)，通常分為全向天線(xiàn)和定向天線(xiàn)兩個(gè)大類(lèi)。超短波頻段的全向天線(xiàn)一般有鞭狀、錐形、籠形等類(lèi)型；超短波頻段的定向天線(xiàn)一般有八木、周期對(duì)數(shù)、微帶等類(lèi)型。考慮機(jī)載平臺(tái)對(duì)于裝機(jī)尺寸的限制，目前機(jī)載平臺(tái)超短波天線(xiàn)多采用單極子天線(xiàn)及變形的單極子天線(xiàn)。

（1）陣子天線(xiàn)。陣子天線(xiàn)的水平面輻射方向圖是全向的，采用垂直極化的極化方式，俯仰面方向圖是“8”字形，天線(xiàn)通常由底板、輻射振子、饋電接頭和天線(xiàn)罩等組成，采用阻抗匹配技術(shù)，對(duì)天線(xiàn)工作帶寬進(jìn)行擴(kuò)展從而滿(mǎn)足使用需求。

（2）盤(pán)錐天線(xiàn)。天線(xiàn)發(fā)射或接收的電磁波電場(chǎng)方向垂直于地面為垂直極化。常規(guī)垂直極化天線(xiàn)的主要形式有環(huán)形縫隙天線(xiàn)、陣子類(lèi)天線(xiàn)等，但此類(lèi)天線(xiàn)難以實(shí)現(xiàn)較寬的工作帶寬。盤(pán)錐天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，擁有良好的工作寬帶特性，在水平面方位可以實(shí)現(xiàn)全向輻射，并且其輻射的最大方向一般來(lái)說(shuō)都在水平方向上[5,6]。

盤(pán)錐天線(xiàn)之所以具備良好的阻抗寬頻特性是因?yàn)槠涮厥獾慕Y(jié)構(gòu)形式。如圖1所示，盤(pán)錐天線(xiàn)是一種特殊的雙錐天線(xiàn)，此種天線(xiàn)上椎體的半張角為直角，下椎體的半張角為要求值，可根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。盤(pán)錐天線(xiàn)結(jié)構(gòu)中的盤(pán)和下椎體可以被當(dāng)成兩個(gè)單極子，并且它們的輸入阻抗是不同的，盤(pán)錐天線(xiàn)的整體輸入阻抗就分解成這兩個(gè)單極子輸入阻抗的串聯(lián)。進(jìn)行設(shè)計(jì)后，可以使兩個(gè)輸入阻抗隨工作頻率的變化起到互相補(bǔ)償?shù)淖饔茫瑥亩固炀€(xiàn)在很寬的工作頻帶內(nèi)基本保持穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)較寬的工作帶寬[7]。

圖1 盤(pán)錐天線(xiàn)示意

（3）零階諧振天線(xiàn)。考慮左右手傳輸線(xiàn)的理論及零階諧振器的無(wú)線(xiàn)波長(zhǎng)特性，零階諧振天線(xiàn)也能實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)水平面的全向輻射。如圖2所示，是基于此種特性設(shè)計(jì)的零階諧振天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)水平面的全向輻射，具有剖面低、增益高及不圓度小等優(yōu)點(diǎn)，同樣利于共形設(shè)計(jì)[8,9]。

圖2 零階諧振天線(xiàn)

2 共形設(shè)計(jì)布局影響分析

飛機(jī)的垂直尾翼結(jié)構(gòu)是布置超短波頻段天線(xiàn)的首選位置，尾翼頂端受機(jī)身的遮擋效果相對(duì)較小，可有效保障視距內(nèi)超短波頻點(diǎn)通信和數(shù)據(jù)傳輸。由于受垂直極化單機(jī)子天線(xiàn)輻射特性和飛機(jī)前機(jī)身遮擋，天線(xiàn)在飛機(jī)頂空、腹部和前下空域輻射的能量較低，增益不好，導(dǎo)致發(fā)生在此空域內(nèi)的通信斷續(xù)。對(duì)于機(jī)動(dòng)性不強(qiáng)的機(jī)型，此部分空域影響對(duì)于本機(jī)與地面臺(tái)或編隊(duì)成員的通信影響較小；對(duì)于單機(jī)動(dòng)性的機(jī)型，此部分空域會(huì)造成飛機(jī)的轉(zhuǎn)彎或作相應(yīng)大機(jī)動(dòng)姿態(tài)時(shí)發(fā)生通信間斷、數(shù)據(jù)丟失。典型的布置于垂尾的超短波頻段天線(xiàn)輻射空域覆蓋性如圖3和圖4所示，其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 垂尾布置典型空域覆蓋統(tǒng)計(jì)

圖3 VHF頻段內(nèi)典型空域覆蓋

圖4 UHF頻段內(nèi)典型空域覆蓋

2.1 垂尾布置

2.2 改進(jìn)布局1（側(cè)壁布置）

為解決天線(xiàn)覆蓋性不好的問(wèn)題，考慮在機(jī)身左/右兩側(cè)側(cè)壁布置超短頻段天線(xiàn)，一般此處位置受機(jī)身遮擋影響相對(duì)較大，需考慮天線(xiàn)成對(duì)分左、右天線(xiàn)布置。左/右兩側(cè)的天線(xiàn)一起可以保證方位面全向和俯仰面±30°的空域覆蓋。圖5為單垂尾天線(xiàn)布局時(shí)UHF頻段的空域覆蓋，圖6為左/右兩側(cè)的天線(xiàn)組合空域覆蓋，其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 改進(jìn)布局1的空域覆蓋統(tǒng)計(jì)

圖5 單垂尾天線(xiàn)布局時(shí)UHF頻段內(nèi)的典型空域覆蓋

圖6 改進(jìn)布局1的UHF頻段內(nèi)典型空域覆蓋

增加飛機(jī)兩側(cè)天線(xiàn)，U段天線(xiàn)全空域覆蓋率可提高7.9%、8%、6.4%、8.8%，改善效果明顯，方位-180°～180°，俯仰-60°～60°空域覆蓋性良好，可以保證大部分飛機(jī)姿態(tài)的有效通信。

2.3 改進(jìn)布局2（機(jī)背/機(jī)腹布置）

為解決天線(xiàn)覆蓋性不好的問(wèn)題，考慮在機(jī)身背部或腹部平坦區(qū)域置超短頻段天線(xiàn)，此處位置受機(jī)身遮擋影響相對(duì)較大，建議考慮天線(xiàn)成對(duì)分上、下天線(xiàn)布置。上、下兩側(cè)的天線(xiàn)一起可以保證方位面全向和俯仰面±30°的空域覆蓋。由于裝機(jī)位置空間限制問(wèn)題，優(yōu)先布置機(jī)腹處天線(xiàn)，解決機(jī)頭前方覆蓋性空洞問(wèn)題。圖7為天線(xiàn)機(jī)腹布局時(shí)UHF頻段的空域覆蓋，圖8為機(jī)背和機(jī)腹天線(xiàn)組合時(shí)的空域覆蓋，其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 改進(jìn)布局2的空域覆蓋統(tǒng)計(jì)

圖7 無(wú)線(xiàn)機(jī)腹布局時(shí)UHF頻段內(nèi)的典型空域覆蓋

圖8 改進(jìn)布局2的UHF頻段內(nèi)典型空域覆蓋

增加機(jī)背共形天線(xiàn)，U段天線(xiàn)全空域覆蓋率可提高4.9%、7.6%、8.4%、10.9%，空域改善效果明顯，方位-180°～180°，俯仰-60°～60°的空域覆蓋性良好，可以保證大部分飛機(jī)姿態(tài)的有效通信。

3 結(jié) 論

超短波天線(xiàn)電臺(tái)是一種具有較高可靠性的通信保障手段，廣泛應(yīng)用于機(jī)載通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)編隊(duì)內(nèi)外各單元之間的話(huà)音和數(shù)據(jù)通信功能。由于裝機(jī)后機(jī)體遮擋和反射效應(yīng)的相互影響，導(dǎo)致天線(xiàn)的輻射性能變化較大，本文分析了飛機(jī)平臺(tái)對(duì)超短波波段天線(xiàn)的性能影響，通過(guò)對(duì)天線(xiàn)布局優(yōu)化并結(jié)合裝機(jī)特性分析，建議在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中：（1）根據(jù)功能使用限制，建議至少保證3副或更多數(shù)量天線(xiàn)的布局；（2）布局在遮擋物少的區(qū)域，降低天線(xiàn)與平臺(tái)之間的相互遮擋影響；（3）需聯(lián)合飛機(jī)開(kāi)展總體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)初期考慮天線(xiàn)布置及射頻走線(xiàn)等問(wèn)題。

通過(guò)上述措施，提高天線(xiàn)裝機(jī)后空域覆蓋性能，提高通信質(zhì)量。