適用于直升機尾翼的UHF共形天線設計

武警工程大學信息工程系 李雪健 李 萍 劉廣斌

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適用于直升機尾翼的UHF共形天線設計

武警工程大學信息工程系 李雪健 李 萍 劉廣斌

【摘要】本文設計了一款適用于直升機尾翼的柱面共形微帶天線，采用嵌入式微帶饋線方式，分別設計了的單元和二元陣列天線。采用HFSS軟件對單元和二元陣列天線進行了仿真，結果表明：單元天線在848MHz-860MHz頻率范圍內駐波比均低于1.5，在850 MHz處駐波達到1.073，最大增益為6.9dB，S11達到-30.4dB。二元陣列天線駐波比低于1.5的頻率范圍為831 MHz -854 MHz，在850 MHz處駐波達到1.102，最大增益為5.163dB，S11達到-24.3dB，輻射方向基本為水平全向。天線的諧振頻率覆蓋國內應急救援的UHF頻段，天線與機體尾翼共形，可直接安裝直升機尾翼的下半弧面上，減少了空氣阻力。

【關鍵詞】柱面共形天線；直升機；UHF

注：國家青年自然科學基金項目（批準號：61302051）資助的課題。

1　導論

共形天線由于與載體共形設計，具有良好的氣動性能、電磁兼容性好、風阻小等優(yōu)點，使其在航空、制導、雷達等領域得到了廣泛的應用，成為了機載天線的研究的熱門［1］。國內外對共形天線的研究大部分針對固定翼飛機或導彈［2-4］，對直升機天線的共形研究較少?，F今大部分的直升機在應急搶險的UHF波段采用的天線大都為如圖1所示的刀型天線，不僅體積大質量重，還突出于機身影響飛機氣動性能。

本文設計了一款工作于UHF波段的柱面共形微帶天線。該天線共形于直升機尾翼，可以直接安裝尾翼下方。首先設計出了的單元柱面微帶天線，在其基礎上，采用并聯(lián)式饋電方式設計出二元陣列天線。用Ansoft HFSS軟件對天線進行了仿真并對結果進行優(yōu)化分析，天線參數較好。

2　天線仿真設計

2.1單元微帶天線仿真

首先設計出一個諧振于850 MHz單元柱面共形微帶天線。將基板與貼片彎曲成半圓柱體形，模擬直升機尾翼底部，圓柱半徑為138.5mm，與某型號直升機尾翼半徑相同。天線采用嵌入式微帶饋電，基板材質是RT/ Duroid 5880，損耗角為0.009，介電常數為2.2，厚度0.795 mm。具體天線參數如表3.1所示。采用HFSS軟件對模型進行仿真。仿真模型如圖2所示。

表1　單元天線的所有參數

圖1　單元微帶天線平面示意圖

圖2　天線模型直觀圖

運行HFSS求解仿真結果，在850MHz的頻率上，所設計的微帶貼片天線VSWR 為1.073，在848MHz-860 MHz范圍內VSWR低于1.5，回波損耗-30.4dB，最大增益為6.9dB。如圖3，圖4所示。

圖3　單元天線VSWR參數圖

圖4　單元天線輻射方向增益圖

從遠場輻射方向圖可以看出，因為有底板的反射，單元天線的輻射方向主要指向貼片正面，背面的輻射較少。水平面方向圖為全向但增益較低。

2.2 二元微帶陣列天線仿真

在設計的單元微帶天線基礎上，加上并聯(lián)饋電網絡將天線組合成二元陣列。天線的HFSS模型如圖5中所示。圓柱體半徑及基板材質厚度不變。

圖5　二元陣列天線模型直觀圖

圖6　天線駐波比圖

仿真結果顯示：二元陣列天線在831 MHz -854 MHz的頻率范圍內駐波比均低于1.5，在850 MHz處駐波達到1.102，最大增益為5.163dB，S11達到-24.3dB，如圖6、圖7所示

由仿真結果可以看出，從單元天線變成二元陣的過程中，由于圓柱體半徑不變，相當于增大了柱面天線的曲率半徑。因此二元陣列天線的諧振頻率較單元天線有所下降，但仍在應急救援頻段內。天線背面輻射增加，輻射方向圖起伏增大，3dB波瓣寬度增大，最大增益有所下降。

圖7　遠場方向圖

3　結束語

應用于直升機尾翼的微帶貼片天線研究在國內還是比較少見。本文初步設計出單元柱面共形微帶天線，并在其基礎上設計了二元微帶陣列天線，使之可以集成到直升機尾翼下表面，可以減少直升機飛行的空氣阻力，提高燃料利用率。其中，單元天線在848MHz-860 MHz，二元陣列天線在831 MHz -854 MHz的頻率范圍內駐波比均低于1.5，在850 MHz處駐波均低于1.2，達到了良好的諧振?；緷M足直升機在應急救援通信的天線要求。

參考文獻

［1］韓振平，錢祖平，倪為民，劉宗全.X波段全向共形機載天線的仿真與設計［A］.指揮控制與仿真，2011.

［2］張悅.機載天線及彈載共形陣天線設計［D］.西安電子科技大學，2012.

［3］楊超.S波段彈載柱面共形微帶天線的設計［D］.西安電子科技大學，2013.

［4］劉建妥.旋轉炮彈的微帶天線仿真設計［D］.南京理工大學，2008.

［5］Vidhi Sachdeva，Prakash Kumar Mishra，Drishti Sharma，Samir Dev Gupta. Design of Antenna Conformal to Cylindrical Surface for Aircrafts［A］.Fifth International Conference on Communication Systems and Network Technologies，2015.

Design UHF conformal antenna Suitable for a helicopter tail

LI Xue-jian LI Ping LIU Guang-Bin
（Department of Information Engineering，Engineering University of CAPF，Xi'an 710086）

ABSTRACT：In this paper，a suitable helicopter tail cylindrical conformal microstrip antenna is designed with both unit and binary array antenna respectively in embedded microstrip feeder mode.It turns out that cells in the 848MHz-860 MHz antenna VSWR were less than 1.5，at the frequency of 850 MHz，VSWR reached 1.073，the maximum gain of 6.9dB，S11reach-30.4dB by using HFSS software unit and binry arrays antenna simulation. VSWR of Binary Arrays antenna were less than 1.5 in the frequency range 831 MHz -854 MHz，at the frequency of 850 MHz，VSWR reached 1.102，the maximum gain is 5.163dB，S11reach -24.3dB，radiation substantially horizontal omnidirectional.The resonant frequency of the antenna covering the country's emergency rescue of the UHF band，and conformal with the helicopter tail，can be installed directly on the lower half arc helicopter wing，reducing the air resistance.

Keyword：cylinder Conformal antenna；helicopters；UHF