電子干擾飛機(jī)天線(xiàn)布局研究

鄧愛(ài)國(guó) 徐宏兵 張國(guó)華 高小紅 馮卉萱

(中航飛機(jī)股份有限公司 漢中 723100)

射頻仿真 電磁兼容技術(shù)

電子干擾飛機(jī)天線(xiàn)布局研究

鄧愛(ài)國(guó) 徐宏兵 張國(guó)華 高小紅 馮卉萱

(中航飛機(jī)股份有限公司 漢中 723100)

電子干擾機(jī)任務(wù)系統(tǒng)具有發(fā)射功率大、干擾頻帶寬的特點(diǎn)，任務(wù)系統(tǒng)天線(xiàn)與飛機(jī)平臺(tái)天線(xiàn)間電磁兼容設(shè)計(jì)是全機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，從電子干擾機(jī)飛機(jī)平臺(tái)天線(xiàn)布局、任務(wù)系統(tǒng)天線(xiàn)布局、全機(jī)天線(xiàn)布局三個(gè)方面進(jìn)行分析并分別給出天線(xiàn)布局的一般原則，最后，以波音737型客機(jī)為例，給出將其改裝為電子干擾飛機(jī)后天線(xiàn)布局圖，并結(jié)合美軍EC－130E通信干擾機(jī)，對(duì)其天線(xiàn)布局進(jìn)行了分析，為電子干擾飛機(jī)天線(xiàn)布局設(shè)計(jì)提供參考。

電子干擾飛機(jī);電磁兼容;天線(xiàn)布局

0 引 言

干擾飛機(jī)是加裝干擾發(fā)射和偵察設(shè)備的特種作戰(zhàn)飛機(jī)，以對(duì)敵方通信、指揮進(jìn)行直接干擾、甚至壓制，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵武器裝備“致聾、致盲”。根據(jù)干擾對(duì)象不同，可分為通信干擾和雷達(dá)干擾，根據(jù)干擾方式不同，可分為壓制干擾、欺騙干擾等［1］。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)信息化程度的提升，干擾機(jī)已成為扼殺敵人“神經(jīng)系統(tǒng)”的有力武器［2］。

目前世界各國(guó)現(xiàn)役干擾飛機(jī)均是在已有成熟機(jī)型上加裝任務(wù)干擾設(shè)備和偵察設(shè)備設(shè)計(jì)而成，比較著名的有美國(guó)EA－6B“徘徊者”支援干擾機(jī)、EA－18G“咆哮者”電子干擾機(jī)、EC－130E通信干擾機(jī)［3］。干擾飛機(jī)在執(zhí)行干擾任務(wù)的同時(shí)，其偵察系統(tǒng)又可為己方飛機(jī)提供一定情報(bào)支持。

國(guó)內(nèi)對(duì)電子干擾飛機(jī)在空戰(zhàn)［4］和配合航母編隊(duì)對(duì)岸進(jìn)攻中的配置方法［5］進(jìn)行了研究，對(duì)電子干擾吊艙［6］及常規(guī)電子干擾的干擾效果進(jìn)行了評(píng)估［7］，對(duì)美軍電子無(wú)人攻擊機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的研究也有所涉獵［8］。

為對(duì)敵通信、導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面干擾，干擾飛機(jī)需加裝大功率干擾與高靈敏度偵收的機(jī)載任務(wù)系統(tǒng)，其工作頻段(HF、VHF、UHF、L、S、C、X、Ku波段)通常會(huì)覆蓋飛機(jī)平臺(tái)絕大部分設(shè)備工作頻段，相互之間存在嚴(yán)重的同頻、諧波、臨近頻率及互調(diào)等不同形式的干擾。同時(shí)大功率任務(wù)干擾設(shè)備發(fā)射時(shí)，還易對(duì)飛機(jī)屏蔽能力薄弱區(qū)域的非用頻電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，并對(duì)飛行人員產(chǎn)生電磁危害，需加強(qiáng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)電磁防護(hù)能力。

電子干擾飛機(jī)在原飛機(jī)平臺(tái)上加裝任務(wù)干擾設(shè)備，改變了飛機(jī)平臺(tái)原有電磁特性，天線(xiàn)布局是全機(jī)設(shè)計(jì)重中之重，其設(shè)計(jì)水平直接影響作戰(zhàn)使命能否順利完成甚至危及飛行安全［9］。

1 天線(xiàn)布局分析

1.1 飛機(jī)平臺(tái)天線(xiàn)布局分析

為確保飛機(jī)正常飛行，飛機(jī)平臺(tái)配備有通信、導(dǎo)航和雷達(dá)等電子設(shè)備。根據(jù)每個(gè)設(shè)備工作原理和收、發(fā)電磁波極化方式的不同，飛機(jī)平臺(tái)天線(xiàn)布局一般應(yīng)滿(mǎn)足如下要求:

a)通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)主要包括短波和超短波通信，部分飛機(jī)還配備衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

短波通信系統(tǒng):通常配置兩套，其天線(xiàn)可采用長(zhǎng)約20m的線(xiàn)天線(xiàn)，布置在垂尾至機(jī)頭之間，或采用“隱蔽”天線(xiàn)，布置于垂尾內(nèi)部。

超短波通信系統(tǒng):通常配置兩套，天線(xiàn)也相應(yīng)配置兩套，為解決通信盲區(qū)問(wèn)題，分別布置在機(jī)背和機(jī)腹。

衛(wèi)星通信系統(tǒng):衛(wèi)星通信系統(tǒng)天線(xiàn)布置在機(jī)背。

b)導(dǎo)航系統(tǒng)

導(dǎo)航系統(tǒng)包括慣性/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)電羅盤(pán)(ADF)、無(wú)線(xiàn)電高度表、伏爾儀表組合導(dǎo)航系統(tǒng)、DME測(cè)距器、空中交通告警與防撞系統(tǒng)(TCAS)、氣象雷達(dá)等。

慣性/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng):通常配備三套，三個(gè)GNSS衛(wèi)星接收天線(xiàn)安裝于機(jī)背。

無(wú)線(xiàn)電羅盤(pán):通常配備兩套，兩部天線(xiàn)一般安裝于機(jī)背，機(jī)背確實(shí)無(wú)法布置時(shí)也可布置在機(jī)腹，且位于飛機(jī)電氣中心位置。布置于機(jī)腹會(huì)使羅盤(pán)難以校準(zhǔn)。

無(wú)線(xiàn)電高度表:至少配備一套，其中發(fā)射與接收天線(xiàn)各一個(gè)，安裝于機(jī)腹或機(jī)翼下表面。

伏爾儀表組合導(dǎo)航系統(tǒng):是具有儀表著陸系統(tǒng)(ILS)、微波著陸系統(tǒng)(MLS)、甚高頻全向測(cè)向(VOR)及指點(diǎn)信標(biāo)功能的機(jī)載設(shè)備，下滑天線(xiàn)、微波著陸天線(xiàn)一般安裝于機(jī)頭，伏爾天線(xiàn)安裝于飛機(jī)垂尾左右兩側(cè)，信標(biāo)天線(xiàn)安裝在機(jī)腹。

DME測(cè)距器:一般配備兩套，兩個(gè)天線(xiàn)安裝于機(jī)腹。

空中交通告警與防撞系統(tǒng)(TCAS):TCAS系統(tǒng)包括兩個(gè)TCAS天線(xiàn)和兩個(gè)空中交通管制應(yīng)答機(jī)天線(xiàn)，TCAS天線(xiàn)和空管應(yīng)答機(jī)天線(xiàn)于機(jī)背和機(jī)腹各布置一個(gè)。

氣象雷達(dá):天線(xiàn)布置在機(jī)頭正前方。

1.2 任務(wù)系統(tǒng)天線(xiàn)布局分析

電子干擾飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)包括任務(wù)偵測(cè)和干擾系統(tǒng)。為最大限度發(fā)揮干擾機(jī)的效能，應(yīng)盡量保證干擾和偵察天線(xiàn)波束在水平面實(shí)現(xiàn)360度覆蓋，在垂直面不受遮擋，且方向圖無(wú)畸變。但在實(shí)際工程中，為滿(mǎn)足作戰(zhàn)要求，需要任務(wù)系統(tǒng)大功率發(fā)射，大部分頻段發(fā)射天線(xiàn)采用陣列形式，因此天線(xiàn)體積龐大，重量重。同時(shí)受飛機(jī)氣動(dòng)外形等限制，只有少數(shù)重點(diǎn)干擾頻段在飛機(jī)上布置時(shí)能滿(mǎn)足上述要求，多數(shù)頻段天線(xiàn)波束只能覆蓋部分空域(如飛機(jī)兩側(cè))，為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)連續(xù)干擾，需調(diào)整飛行航線(xiàn)(如在目標(biāo)區(qū)域一側(cè)作往返飛行，飛行路線(xiàn)如圖1示)。偵察天線(xiàn)用于引導(dǎo)干擾系統(tǒng)或情報(bào)搜索，體積小、重量輕，通常易滿(mǎn)足上述功能需求。

根據(jù)上述分析，任務(wù)系統(tǒng)天線(xiàn)有如下幾種布局方式:

a)機(jī)背布置任務(wù)干擾天線(xiàn)

圖1 干擾飛機(jī)飛行路線(xiàn)示意

機(jī)背布置“蘑菇形”或“平衡木”天線(xiàn)，如采用“蘑菇形”天線(xiàn)，使用多面相位控制發(fā)射陣列，或機(jī)械旋轉(zhuǎn)單面發(fā)射陣列，可對(duì)飛機(jī)周?chē)?60度范圍實(shí)施干擾。若機(jī)背布置“平衡木”雙面發(fā)射天線(xiàn)，其干擾范圍限于機(jī)身兩側(cè)一定方位，但可通過(guò)調(diào)整飛機(jī)飛行路徑克服。機(jī)背布置的優(yōu)點(diǎn)是天線(xiàn)處于較高位置，機(jī)身對(duì)波束遮擋較小。天線(xiàn)布置位置如圖2中位置3所示。

圖2 任務(wù)系統(tǒng)天線(xiàn)安裝位置示意

b)機(jī)身兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置布置任務(wù)發(fā)射天線(xiàn)

任務(wù)發(fā)射天線(xiàn)布置于機(jī)身兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置，對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)外形影響較小，但受發(fā)射角度限制和機(jī)體遮擋，機(jī)頭、機(jī)尾方位處于波束發(fā)射盲區(qū)。天線(xiàn)布置位置如圖2中位置2所示。

c)機(jī)腹下布置任務(wù)發(fā)射天線(xiàn)

任務(wù)發(fā)射天線(xiàn)(拖曳天線(xiàn)或干擾吊艙)布置于機(jī)腹，受機(jī)身和機(jī)翼遮擋，波束上仰角較小，但下俯角度不受限制，因此對(duì)敵方空、地或海面目標(biāo)實(shí)施遠(yuǎn)距離干擾，飛機(jī)應(yīng)具備較高的飛行高度。天線(xiàn)安裝位置如圖2中位置7所示。

d)任務(wù)偵測(cè)系統(tǒng)天線(xiàn)布局

任務(wù)偵測(cè)系統(tǒng)通過(guò)偵收敵方電磁信號(hào)，鎖定敵方目標(biāo)位置，引導(dǎo)干擾系統(tǒng)對(duì)其實(shí)施干擾。為確定干擾目標(biāo)位置，任務(wù)偵收天線(xiàn)應(yīng)布置于機(jī)體尖端、遮蔽小的部位，并遠(yuǎn)離其它發(fā)射天線(xiàn)，每一個(gè)(套)偵測(cè)天線(xiàn)探測(cè)某特定頻段和方位內(nèi)目標(biāo)，所有任務(wù)偵測(cè)天線(xiàn)共同完成飛機(jī)周?chē)轿弧⑷l段的探測(cè)。

據(jù)此，飛機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾、左(右)機(jī)翼尖端、垂尾頂端宜于布置任務(wù)偵測(cè)天線(xiàn)，具體布置位置如圖2中位置1、位置4、位置5、位置6所示。

1.3 全機(jī)天線(xiàn)布局原則

電磁波在自由空間的衰減［10］為:

L(f·R))=32.44+20lg f+20lgR式中，L為衰減量，單位為dB，f為頻率，單位為MHz，R為觀(guān)測(cè)點(diǎn)和干擾源距離，單位為Km。

從上式可看出，自由空間衰減與干擾源的頻率和離干擾源的距離成正比，即頻率越高，衰減越大，距離干擾源越遠(yuǎn)，干擾場(chǎng)強(qiáng)越小。因此加大干擾源與接收設(shè)備的距離實(shí)質(zhì)上是利用電磁場(chǎng)特性達(dá)到抑制電磁干擾的最有效的基本方法。

同時(shí)，結(jié)合上述飛機(jī)平臺(tái)和任務(wù)系統(tǒng)天線(xiàn)布局分析，為確保全機(jī)設(shè)備兼容工作，全機(jī)天線(xiàn)布局應(yīng)遵循如下基本原則:

a)天線(xiàn)布局設(shè)計(jì)初期，開(kāi)展全機(jī)天線(xiàn)間隔離度、方向性仿真計(jì)算，為全機(jī)天線(xiàn)布局提供理論參考;

b)臨近頻率收、發(fā)天線(xiàn)分開(kāi)布置，增大空間隔離，防止同頻干擾;

c)接收天線(xiàn)盡量避開(kāi)任務(wù)發(fā)射天線(xiàn)主波束; d)借助飛機(jī)結(jié)構(gòu)遮擋增大發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)間隔離度;

e)任務(wù)發(fā)射天線(xiàn)布置位置盡量遠(yuǎn)離窗口、風(fēng)擋玻璃等屏蔽效能低的位置，確保機(jī)內(nèi)電磁環(huán)境滿(mǎn)足人員電磁輻射暴露安全限值;

f)對(duì)影響飛行安全和任務(wù)完成的設(shè)備，其天線(xiàn)布置位置應(yīng)優(yōu)先考慮，保證其不受其它系統(tǒng)干擾;

g)開(kāi)展全機(jī)天線(xiàn)隔離度和相關(guān)區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)試驗(yàn)，調(diào)整并實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)布局的合理性。

2 電子干擾飛機(jī)天線(xiàn)布局及美軍EC－130E電子干擾機(jī)天線(xiàn)布局分析

2.1 電子干擾飛機(jī)天線(xiàn)布局

上面從飛機(jī)平臺(tái)天線(xiàn)布局、任務(wù)系統(tǒng)天線(xiàn)布局、全機(jī)天線(xiàn)布局三方面對(duì)電子干擾機(jī)天線(xiàn)布局進(jìn)行了分析，根據(jù)分析，采用波音737型飛機(jī)為電子干擾機(jī)飛機(jī)平臺(tái)，加裝任務(wù)系統(tǒng)后全機(jī)天線(xiàn)布局如圖3所示。

圖3 電子干擾飛機(jī)天線(xiàn)布局

由于機(jī)身背部加裝任務(wù)發(fā)射天線(xiàn)，將原機(jī)身上方無(wú)線(xiàn)電羅盤(pán)天線(xiàn)布置于機(jī)腹。任務(wù)系統(tǒng)干擾天線(xiàn)和偵收天線(xiàn)布置位置，根據(jù)實(shí)際天線(xiàn)頻段、數(shù)量和天線(xiàn)外形等指標(biāo)選擇其中一種或幾種，必要時(shí)可對(duì)具體位置進(jìn)行調(diào)整。若任務(wù)發(fā)射天線(xiàn)3外形尺寸太大，布置于中后段影響起飛和著陸時(shí)，可設(shè)計(jì)為伸縮式，或?qū)⒃撎炀€(xiàn)前移，此時(shí)其他天線(xiàn)位置相應(yīng)調(diào)整，將超短波天線(xiàn)2移至現(xiàn)任務(wù)發(fā)射天線(xiàn)3位置，高度表天線(xiàn)后移或布置于水平尾翼下表面。大型民航飛機(jī)改裝為特種飛機(jī)，具有平臺(tái)大、航程遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，將成為未來(lái)特種飛機(jī)發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 美軍EC－130E特種干擾機(jī)天線(xiàn)布局分析

EC－130E電子干擾機(jī)是美軍用于心理戰(zhàn)和通信干擾的特種飛機(jī)，它以C－130運(yùn)輸機(jī)為飛機(jī)平臺(tái)，加裝任務(wù)電子設(shè)備改進(jìn)而成。它的主要任務(wù)是對(duì)敵方進(jìn)行電磁壓制，干擾敵方通信，進(jìn)行心理戰(zhàn)廣播。此外，在作戰(zhàn)中，EC－130E可與其它偵察類(lèi)飛機(jī)不斷交換數(shù)據(jù)，對(duì)友機(jī)收集的情報(bào)進(jìn)行補(bǔ)充。EC－130E干擾機(jī)主要外部特征如圖4［11］。

圖中，注1、注2、注3、注5、注7所示為EC－130E心理戰(zhàn)干擾機(jī)任務(wù)干擾系統(tǒng)發(fā)射天線(xiàn)。注1和注7所示的天線(xiàn)陣吊艙和斧形天線(xiàn)位于翼尖下方，與載機(jī)接收天線(xiàn)有一定距離，注2所示4個(gè)發(fā)射天線(xiàn)位于垂尾兩側(cè)，主波束位于機(jī)身后方且朝向外側(cè)，隔離度較大，不會(huì)對(duì)載機(jī)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

注3和注5所示為兩種不同極化的拖曳天線(xiàn)，布置于機(jī)腹，工作時(shí)伸縮天線(xiàn)向外放出，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)百米。伸縮拖曳天線(xiàn)可減小機(jī)身對(duì)輻射波束的遮擋，增大干擾范圍。

圖4 美國(guó)EC－130E心理戰(zhàn)干擾機(jī)主要外部特征

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從電子干擾飛機(jī)平臺(tái)天線(xiàn)布局、任務(wù)系統(tǒng)天線(xiàn)布局和全機(jī)天線(xiàn)布局三個(gè)方面進(jìn)行分析，分別給出了飛機(jī)平臺(tái)天線(xiàn)布局、任務(wù)系統(tǒng)天線(xiàn)布局和全機(jī)天線(xiàn)布局的一般性原則，并結(jié)合美軍EC－130E特種干擾機(jī)天線(xiàn)布局進(jìn)行了分析。通過(guò)這些一般性原則可為電子干擾飛機(jī)天線(xiàn)布局提供參考。

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Study on Electronic Jamming Aircraft Antenna Arrangement

Deng Aiguo，Xu Hongbing，Zhang Guohua，Gao Xiaohong，F(xiàn)eng Huixuan
(Hanzhong Aircraft Branch，AVIC Aircraft Co.，Ltd，Hanzhong 723100，Shaanxi)

Electronic jamming aircraft’s assignment system is featured with characteristics like high transmitting power and wide jamming frequency band，electromagnetic compatibility design between antenna of assignment system and aircraft platform is emphasis of the whole aircraft.On basis of analyzing three aspects like electronic jamming aircraft platform antenna arrangement，assignment system antenna arrangement，whole aircraft antenna arrangment，general principle on antenna arrangment is given respectively.And finally，take Boeing 737 passenger aircraft as an example，the antenn arrangement diagram is given after it is retrofitted to electronic jamming aircraft，and its antenna arrangement is analyzed combining with USA EC－130E communication jammer，which can be used as reference for designing electronic jamming aircraft antenna arrangement.

electronic jamming aircraft;electromagnetic compatibility;antenna arrangement

TN952

A

1008-8652(2016)04-093-05

2016-07-22

鄧愛(ài)國(guó)(1964－)，男，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)轱w機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)。