一種機載短波天線的設(shè)計

沙永勝

【摘要】本文對常見機載短波天線進(jìn)行了歸納分析，并提出了一種機載短波天線的實現(xiàn)方法，分析了其工作原理，給出了設(shè)計參數(shù)和實測結(jié)果。采用基于有限元法的仿真軟件Ansoft HFSS對天線進(jìn)行建模、仿真優(yōu)化，最后確定了天線的尺寸。并給出了天線的遠(yuǎn)場輻射方向圖，結(jié)果表明天線具有良好的電性能特性。

【關(guān)鍵詞】機載 短波 天線

隨著戰(zhàn)場信息化技術(shù)的發(fā)展，機載超短波通信已不僅僅是語音通信，還有數(shù)據(jù)傳輸和圖像傳輸?shù)囊?。因此，對短波天線的性能要求就越來越高。

機載短波電臺使用的天線的重要特性是工作波長在lOm～lOOm，因此，其設(shè)計和安裝需要考慮飛機的布局、絕緣設(shè)計和防干擾設(shè)計。典型天線和特性總結(jié)如下。

（1）線狀天線：又稱鋼索天線，一般安裝在飛機背鰭部位和飛機尾部之間。天線主要類型有r型、T型及傾斜式三種，而后者是較為普遍采用的一種。在低速飛機上至今還在使用鋼索天線，如國產(chǎn)的Y7飛機與H6飛機上，它們是無桅桿的傾斜天線。

線狀天線的缺點就是安裝在飛機外部，風(fēng)阻比較大，易于受損，而且天線易變性導(dǎo)致天線參數(shù)和使用頻段發(fā)生偏差，降低天線的效率和可靠性。優(yōu)點是易于根據(jù)飛機的設(shè)計進(jìn)行改造安裝。

（2）探針天線：探針天線的水平長度為2m～3m，安裝在飛機的機翼或者尾翼的邊緣。該天線的特性接近1/4波長天線，安裝時需要在機翼的連接處使用避雷措施以保護饋點和連接器。

探針天線優(yōu)點可以靈活的安裝在飛機多個部位，天線增益系數(shù)較高，可靠性高，在HF頻段有比較理想的阻抗特性。天線不足之處是易于受到飛機機翼和尾翼振動和溫度變化的影響，而且貼近機身，阻抗特性容易受到影響。

（3）頂端天線：HF頂端天線是一種安裝在機翼或尾翼的流線型天線，與探針天線具有相似的電特性，但是性能低于1/4波長天線。由于沒有尖端，其遭受雷擊的概率比探針天線稍低。

頂端天線的優(yōu)點是不受外部風(fēng)阻影響，可靠性高，天線輻射方向圖均勻。天線缺點是包裹在機翼內(nèi)部，成本較高。

（4）分流天線：分流天線與凹槽天線和頂端天線類似，不同之處在于安裝使用了絕緣材料代替了金屬部分。在機翼的頂端或尾端安裝分流天線，其特性與1/4波長負(fù)反饋天線類似，天線長度小于波長的1/2。

分流天線的優(yōu)點是受風(fēng)阻影響小，可靠性高，且天線方向圖均勻，缺點是成本較高。

（5）凹槽天線：凹槽天線通常是切割成槽口狀，安裝在機身、尾翼、水平翼的下端。天線特性與分流天線類似。

一、“盲區(qū)”問題概述

短波通過地波和天波兩種途徑傳播。地波傳播由于地面吸收導(dǎo)致電磁波傳播距離20km左右就衰耗殆盡了。而天波傳播，因為天線有輻射角，電波經(jīng)電離層反射回到地面，造成有一段區(qū)間內(nèi)，地波和天波都覆蓋不到，就形成短波通信的靜區(qū)，也稱為盲區(qū)。

在空域通信中，天線輻射波由直射波和天波組成，直射波由于散射損耗，通信距離受限;而天波傳輸?shù)牡谝惶捎陲w機升空，入射角相比地面通信更大，反射角更大，導(dǎo)致通信盲區(qū)現(xiàn)象更為嚴(yán)重

二、“盲區(qū)”問題的解決方法

要縮小短波通信的“盲區(qū)”范圍，實現(xiàn)無盲區(qū)通信有兩種方法：

（1）盡量延長短波地波的傳播距離;

（2）盡量縮短短波天波第一跳折回地面的距離。

由于地波傳播損耗較大，因此要延長短波地波傳播通信距離，通常是增大電臺發(fā)射功率，或是采用定向高增益短波天線，但這兩種方式在實際使用中都有其局限性。因此要解決盲區(qū)通信就只有使短波天波傳播的第一跳落地距離接近為零，這個解決方案就是NVIS技術(shù)。

NVIS就是近垂直入射天波傳播的英文縮寫，它通過使用高仰角天線來縮短天波第一跳落地的距離，其中仰角是指天線輻射波瓣與地面之間的夾角。仰角越高，電波第一跳落地的距離越短，盲區(qū)越少，當(dāng)仰角足夠大時，短波傳播信號接近于垂直輻射，由電離層返回地面的短波信號正好可以覆蓋整個跳躍區(qū)，盲區(qū)基本消失。

三、天線的仿真設(shè)計

利用Ansoft HFSS仿真軟件對天線進(jìn)行建模、仿真，計算天線的方向圖和增益曲線并進(jìn)行天線參數(shù)優(yōu)化。仿真模型如圖1所示：

天線結(jié)構(gòu)采用雙V形式，總體長度為4.2m，夾角為650。

四、仿真結(jié)果

天線工作頻率在1.6MHz～30 MHz時，增益-1.8dB—3.9dB，以頻率15MHz為例，對天線進(jìn)行分析。

在工作頻率為15MHz時，天線3D方向圖、水平面方向圖及垂直面方向圖分別如圖所示。

如圖2所示，在工作頻率為15MHz時，天線最大增益為3.9dB。

圖3 f=15MHz處天線水平面方向圖

圖4 f=15MHz處天線垂直面方向圖

如圖3所示，在工作頻率為15MHz，Theta=90。時，天線水平面最大增益為3.3dB（如ml點所示），半功率波瓣寬度為87。（如m2，m3點所示），后瓣最大增益為2.3dB（如m4點所示）。

如圖4所示，在工作頻率為15MHz，Phi=0。時，天線垂直面最大增益為3.8dB（如ml點所示），最小增益為-0.3dB（如m2點所示）。垂直面（Theta=90。）輻射呈全向性，不圓度為4.ldB。

五、結(jié)論

本文對常見機載短波天線進(jìn)行了歸納分析，并提出了一種機載短波天線的實現(xiàn)方法，采用基于有限元法的仿真軟件Ansoft HFSS對天線進(jìn)行建模、仿真優(yōu)化，最后確定了天線的尺寸。并給出了天線的遠(yuǎn)場輻射方向圖，結(jié)果表明天線具有良好的電性能特性。

參 考 文 獻(xiàn)[1]林昌祿主編，《天線工程手冊》，北京：電子工業(yè)出版社，2002[2]梁福生，王廣學(xué)編著.《飛機天線工程手冊》.中國民航出版社，1997[3]毛康侯，方振民編著，《飛行器天線工程設(shè)計指南》.國防工業(yè)出版社，1995