高教機天線布局影響通訊距離研究與改進

鄒 慶，譚洪開

(1.駐320廠軍事代表室，江西 南昌 330024 2.中航工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

0 引 言

某型高級教練機（以下簡稱“高教機”）在試飛過程中，當飛行高度達到10000米時，飛行員和塔臺無法通訊，按戰(zhàn)技指標要求應達到350km，經(jīng)測試實際作用距離不足100km，嚴重影響遠航、轉場等飛行科目的開展。

1 故障定位

通過對電臺收發(fā)機性能指標與天線性能指標測試，以及機上線路排查等工作的開展，未發(fā)現(xiàn)原理、匹配及成附件質量問題。對比其他三代機超短波天線安裝位置，高教機天線安裝在垂尾，經(jīng)初步研究分析發(fā)現(xiàn)，天線布局是導致故障發(fā)生的主要原因。

2 故障原因分析

2.1 天線機理分析

高教機超短波電臺天線在天線形式上屬于單極天線。單極天線在設計和使用中一般遵循以下原則：

1）輻射體必須安裝在金屬平板上并保持良好的電氣連接，金屬板尺寸會影響天線輻射性能，理論接地尺寸為無窮大；

2）與單極天線輻射體連接的金屬平板一般叫做天線接地面，即起到天線的激勵面的作用，同時也是天線的反射面。同軸饋電時，同軸內導體接天線輻射體，外導體接金屬平板。

2.2 問題原因分析

1）天線接地面尺寸不足

高教機電臺天線的安裝位置在垂尾頂端。垂尾頂端視野良好，四周無遮擋，但是，高教機垂尾采用碳纖維復合材料制造，僅在垂尾頂端天線支座上有一小塊金屬安裝槽，尺寸約300mm×50mm。

天線輸入阻抗分為電阻和電抗兩個部分。即Z= Rin+jXin。設天線的輸入阻抗為Zin，而d為無限大時天線輸入阻抗為Zin0，則：

λ為工作波長；

β=2π/λ,d為天線地板半徑，βd反映了接地板的電尺寸；

I(z)為天線上電流分布，I(0)為輸入端電流。

上式中，ΔZ與βd成反比，當βd很小時，即d很小時，天線的端口阻抗特性急劇惡化，具體為jXin電抗分量增大，從圖1可見，當βd＜1，阻抗變化達50Ω。引起端口阻抗失配，發(fā)射功率進入天線后，并未全部向外輻射，而是有大量功率在天線內部振蕩并被電阻吸收，最終導致天線效率降低，實際輻射功率變小。

圖1 h＝λ/4時，電抗Xin～βd曲線

圖2給出了天線輻射體高度h=λ/4時，金屬平板尺寸對天線端口阻抗特性和水平方向圖增益的影響，D為天線水平面方向性系數(shù)。在βd＞1的情況下，天線方向系數(shù)基本趨于穩(wěn)定，接近單極天線理想狀態(tài)。計算目前高教機天線相關βd為：

此時方向系數(shù)有20dB衰減，理想情況下，天線增益每惡化6dB，通訊作用距離減半，按350km的通訊作用距離要求，現(xiàn)有通訊作用距離將不足100km，與問題情況相符。

2）天線輻射近場區(qū)內有大量結構件

在設計飛機垂尾頂部的結構（圖3）時，未考慮天線輻射的要求，導致天線周圍存在大量的結構加強件和安裝鉚釘，天線腔頂部和后部還有航行燈，盡管結構加強件采用了玻璃鋼材料制造，但由于存在于天線輻射近場區(qū)，對天線方向圖的形成也有很大影響。

圖2 h＝λ/4時，水平面方向性系數(shù)D～βd曲線

圖3 垂尾頂部結構圖

3 改進措施及驗證

3.1 垂尾改為金屬材料

為驗證高教機垂尾由復合材料改為金屬材料的有效性，在實驗室進行仿真試驗。將天線分別安裝在小平板（尺寸：700mm×55mm）和U型金屬板（尺寸：700mm×55mm×500mm）上進行天線方向圖測試。其中，小平板模擬天線安裝在目前復合材料垂尾的天線安裝支架上的情況，U型板模擬天線安裝在金屬垂尾上的情況。圖4給出了129MHz時的對比測試結果。

通過小平板和U型板的水平方向性圖對比 （測試頻率129MHz），小平板方向圖在68°出現(xiàn)深凹陷，基準值平均衰減為-22.38dB；U型板方向圖均勻無凹陷，基準值平均衰減-13.04dB；U型板比小平板增益改善近10dB。根據(jù)理論分析結果：典型10W發(fā)射功率、靈敏度優(yōu)于-90dBm的機載電臺，使用100MHz頻率通訊，要滿足350km的通訊作用距離，其配套機載超短波天線在方位面增益值不能小于-10dBi?？梢姡瑢⒏呓虣C垂尾改為全金屬材料必然可以改善垂尾電臺天線的輻射性能，滿足要求。

圖4 天線水平面方向對比測試圖

3.2 重新選擇天線安裝位置

根據(jù)電臺頻率區(qū)間100MHz～150MHz范圍，以βd＞10為基準，得出天線金屬安裝板面積為不低于直徑約為4m左右的圓形面積，飛機機腹與機背為等電勢共地，可選擇任意金屬蒙皮位置安裝。高教機機背中部機身位置上已裝有塔康天線和羅盤天線，并且不足之處是垂尾對電臺天線尾向輻射會有一定程度影響。因此，選擇在機腹后機身位置進行安裝并試驗。

在100MHz和150MHz，進行方向圖仿真，仿真方向圖截取水平面、縱切面和橫切面，兩個頻點的方向圖疊加在一幅圖上。

從圖5可看出，在頻段內，天線布局后的水平面方向圖良好，無深凹陷，僅有輕微起伏，水平面方向圖符合要求。

從圖6、圖7可看出，縱切面、橫切面方向圖良好。盡管天線安裝在機腹，但機背上空間的覆蓋仍然良好，在水平面仰角30°范圍內有大于-10dBi的信號覆蓋，即使在飛機頂空也有大于-20dBi的信號覆蓋?？v切面、橫切面方向圖符合要求。

圖5 水平面方向圖（100MHz、150MHz）

圖6 縱切面方向圖（100MHz、150MHz）

圖7 橫切面方向圖（100MHz、150MHz）

4 結 論

1）通過垂尾改造和天線移位兩個方案均能夠解決通訊距離不足的問題。但是，垂尾改造方案周期長、代價大，改動帶來其他因素不確定。而天線移位方案簡捷有效，采取后者更符合實際情況。經(jīng)試飛驗證，效果良好，能滿足通訊距離要求。

2）在超短波單極天線布局時，要充分考慮天線接地平面大小對天線性能的影響和加載效應，不能出現(xiàn)接地面尺寸過小的情況，并保證天線的接地良好。另外，在形成天線方向圖的輻射近場區(qū)，不應有結構件遮擋，以免干擾天線輻射方向性系數(shù)。

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