關(guān)于機(jī)載天線設(shè)計及天線系統(tǒng)布局的分析

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)載平臺中有較多電子設(shè)備逐漸被融入其中，有利于平臺戰(zhàn)術(shù)功能的進(jìn)一步提高。而這種功能提高的關(guān)鍵在于平臺中合理的機(jī)載天線設(shè)計與系統(tǒng)布局方面，一旦忽視優(yōu)化天線設(shè)計與系統(tǒng)布局工作，將制約機(jī)載平臺整體功能的發(fā)揮。對此，文章將對機(jī)載天線設(shè)計的思路以及天線系統(tǒng)布局進(jìn)行探析。

關(guān)鍵詞：機(jī)載天線設(shè)計；天線布局；發(fā)展趨勢

前言

作為飛機(jī)系統(tǒng)中交換電磁能量的重要構(gòu)件，機(jī)載天線實質(zhì)為感知系統(tǒng)組成部分。從現(xiàn)行機(jī)載平臺結(jié)構(gòu)看，由于其與艦船、地面等平臺存在較多差異，整個空間較為有限，并非任何天線都可設(shè)計其中，需綜合考慮天線高度、重量以及安裝位置等，這樣才可使飛機(jī)操穩(wěn)特性、安全性能得以提升。因此，文章通過分析機(jī)載天線的設(shè)計以及天線布局優(yōu)化的思路，對機(jī)載平臺功能的發(fā)揮具有十分重要的意義。

1 機(jī)載天線設(shè)計的思路

現(xiàn)行關(guān)于機(jī)載天線的設(shè)計，可采取的方式主要通過較多的優(yōu)化算法以及快速分析計算方式，然而實際優(yōu)化設(shè)計中仍存在一定的問題包括低剖面寬頻帶微帶天線、特定波束雙錐天線等，需采取相關(guān)的優(yōu)化措施。常見的方式如粒子群優(yōu)化算法等，其具有算法通用性強(qiáng)、協(xié)同搜索以及編程簡便等優(yōu)勢，對天線設(shè)計中問題的解決可起到明顯的效果。以雙錐天線為例，其在設(shè)計中存在的問題主要集中在對俯仰面方向圖提出特定要求情況下，設(shè)計目標(biāo)難以實現(xiàn)。對此可考慮引入改進(jìn)型雙錐天線，其在波瓣寬度、方向圖增益控制過程中，主要需對饋電結(jié)構(gòu)上下錐角、結(jié)構(gòu)間距進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電壓駐波比符合頻帶規(guī)定要求。同時，若天線外形尺寸不存在問題，為使天線增益得到提高，可對椎體半徑、高度進(jìn)行控制。另外，高頻段環(huán)境下，若需使俯仰面獲取更多增益，應(yīng)注重通過對結(jié)構(gòu)上下錐角以及主體半徑等進(jìn)行控制，使波束的寬度與指向要求得以滿足。同理，低頻段情況下對于波束寬度與指向問題也以結(jié)構(gòu)錐角與半徑等為依據(jù)[1]。

另外，天線設(shè)計過程中存在的問題也集中在微帶天線方面，尤其對于低剖面寬頻帶類型，其存在的問題更為明顯。以2.45GHz工作頻率的微帶天線為例，其介質(zhì)板介電常數(shù)、介質(zhì)板厚度上分別為2.65與0.008λ0，通過仿真分析得出，在1mm介質(zhì)板厚度的情況下，盡管諧振頻點仍可出現(xiàn)，但阻抗匹配卻無法實現(xiàn)，原因在于諧振頻點中帶寬較為有限，加上天線結(jié)構(gòu)不具備較大的自由度，使諧振頻點無法相近。此時在優(yōu)化設(shè)計過程中，便需考慮到天線結(jié)構(gòu)自由度問題，可使縫隙向輻射邊進(jìn)行延伸，并保證諧振臂能夠自由伸縮，這樣原有U形槽微帶天線得以改進(jìn)，最終形成U形耦合微帶天線。事實上，根據(jù)現(xiàn)代機(jī)載平臺功能要求，還需考慮到機(jī)載陣列天線的設(shè)計內(nèi)容，可將GPSO算法引入其中，優(yōu)化設(shè)計方向圖，進(jìn)而提出印刷振子陣列試驗結(jié)果，利用其指導(dǎo)天線設(shè)計的全過程[2]。

2 天線系統(tǒng)布局分析

2.1 明確任務(wù)系統(tǒng)的基本要求

由于機(jī)載平臺中不同電子設(shè)備具有不同的功能，所以安裝天線中需考慮不同的內(nèi)容。假設(shè)對機(jī)翼前緣、機(jī)腹、垂尾、機(jī)背以及機(jī)頭分別用V、IV、III、II、I進(jìn)行表示，此時整個天線布局如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，在天線布局中應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域采取不同的安裝方法。如在I區(qū)部分，應(yīng)將氣象雷達(dá)天線設(shè)置其中，其目的在于對障礙物、地形以及前方氣象進(jìn)行探測；而在II與IV區(qū)，應(yīng)將超短波天線設(shè)置其中，這樣能夠保證空地或空空的通信得以實現(xiàn)，同時在這兩個區(qū)域內(nèi)還需進(jìn)行應(yīng)答機(jī)天線的設(shè)置，這樣可保證航管站了解飛機(jī)相關(guān)氣壓高度等信息；在V區(qū)與IV區(qū)，需安裝的天線主要以無線電高度表為主，其負(fù)責(zé)對著陸過程中飛機(jī)離地高度的探測，需以兩根天線為主，包括接收天線與發(fā)射天線；在II區(qū)與IV區(qū)還需考慮進(jìn)行無線電羅盤天線的設(shè)置，該處天線以定向、定線天線為主，主要負(fù)責(zé)飛機(jī)與導(dǎo)航臺位置的指示；III區(qū)與IV區(qū)內(nèi)，需安裝的天線主要以儀表著陸系統(tǒng)為主，其包括下滑信標(biāo)以及指點信標(biāo)等類型天線；在II與III區(qū)域還需考慮衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收問題，可進(jìn)行GPS天線的安裝，能夠使飛行速度與經(jīng)緯度位置等得以確定。

2.2 方向圖設(shè)計思路

方向圖的設(shè)計是天線系統(tǒng)布局中需考慮的重要問題，機(jī)體中的許多構(gòu)件如螺漿、尾翼或機(jī)身都可能影響方向圖。對此問題，天線布局過程中首先考慮到垂直面方向圖范圍，避免有深凹零值點存在于方向圖中。且應(yīng)注意波束寬度在同一角度方向上應(yīng)保持相等。而從水平極化天線角度看，在設(shè)計過程中應(yīng)對飛機(jī)機(jī)動范圍進(jìn)行分析，以50°為最小波束寬度。其次，在立體角范圍中方向圖的設(shè)計要求在任何輻射方向上，全向天線的輻射保持相同。但這種設(shè)計方式往往存在一定的難題，很難使輻射保持相等，這樣在設(shè)計過程中便需做好方向圖不均勻度的設(shè)計，對飛機(jī)前向、后向中天線覆蓋范圍進(jìn)行限定[3]。

2.3 對電磁兼容性問題的考慮

電磁兼容性是系統(tǒng)布局中需考慮的主要問題，要求結(jié)合接收、收發(fā)以及發(fā)射天線等完成布局過程，尤其其中的接收天線，需保證其所處的區(qū)域不具備較強(qiáng)的電磁敷設(shè)。具體設(shè)計思路主要表現(xiàn)在：第一，以天線間隔為依據(jù)進(jìn)行布局設(shè)計。天線將是影響平臺設(shè)備運行的關(guān)鍵性因素?？扇√炀€最低工作頻率時的波長，間隔可為波長的3/8。但假如機(jī)載設(shè)備具有較大的功率，仍無法保證各系統(tǒng)功能的具體發(fā)揮，此時天線隔離度仍是需考慮的重要問題。對其可引入現(xiàn)代仿真軟件如HFSS、CST等對天線布局分析，確保布局得到優(yōu)化。第二，天線與電纜間隔是布局設(shè)計中的主要問題。假若發(fā)射天線區(qū)域內(nèi)有電纜存在，很容易使輻射能量直接作用于電纜中，這樣機(jī)載設(shè)備可能接收到來自電纜的能量，最終形成干擾。因此在實際布局設(shè)計中應(yīng)注重做好電纜屏蔽工作，或采取對天線與電纜距離增加的方式，也可取得良好的效果。第三，天線與設(shè)備間隔問題。機(jī)載設(shè)備往往會由機(jī)殼進(jìn)行射頻信號的傳輸，若天線對這些射頻信號接收，很容易將這些能量傳入到敏感電子元件中，導(dǎo)致元件性能受到影響。對此，在布局中可從設(shè)備屏蔽質(zhì)量著手，或?qū)μ炀€與設(shè)備間距進(jìn)行增加。第四，布局中應(yīng)對電磁環(huán)境問題進(jìn)行分析。電磁環(huán)境下，相關(guān)操作人員往往易受到電磁輻射影響，所以在天線布局過程中應(yīng)保證與電磁環(huán)境區(qū)域保持較大的間隔，可考慮使機(jī)翼、機(jī)身蒙皮在屏蔽功能上得以強(qiáng)化，有利于削弱電磁輻射對人員造成的傷害[4]。

3 結(jié)束語

機(jī)載平臺功能的發(fā)揮主要受天線的設(shè)計與天線布局影響。實際設(shè)計過程中應(yīng)正視設(shè)計中存在的問題，注重引入相應(yīng)的優(yōu)化算法，根據(jù)優(yōu)化計算結(jié)果使天線設(shè)計更為合理。同時，在天線布局中應(yīng)以任務(wù)系統(tǒng)要求為依據(jù)進(jìn)行各區(qū)域天線設(shè)計，并保證方向圖的設(shè)計更為合理，且充分考慮到電磁兼容性問題，這樣才可提升飛機(jī)的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]林晨.機(jī)載天線設(shè)計及天線系統(tǒng)布局研究[D].西安電子科技大學(xué)，2011.

[2]陳加海，周建江.機(jī)載天線RCS減縮及其布局設(shè)計[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2014，6：845-850.

[3]路志勇，宋長宏.機(jī)載系統(tǒng)天線布局及電磁兼容性分析[J].微波學(xué)報，2010，S2：10-12.

[4]魏亮，李峰，王濤濤.飛機(jī)天線系統(tǒng)EMC設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，16：112-113+125.

作者簡介：張雄偉（1977，12-），男，漢族，陜西榆林，學(xué)歷：本科，工程師，工作單位：陜西烽火通信集團(tuán)有限公司，研究方向：電磁場與電磁波的輻射、天線的研發(fā)。