民用飛機(jī)甚高頻天線布局的方向圖仿真

飛機(jī)在起飛、飛行、著陸階段需要與飛機(jī)和地面基站之間通過甚高頻天線進(jìn)行可靠的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。一般在干線飛機(jī)上，會(huì)安裝兩到三副甚高頻天線，機(jī)身上能夠進(jìn)行天線布局的位置有限，甚高頻天線方向圖容易受到機(jī)身外形影響，因此進(jìn)行天線布局時(shí)需要重點(diǎn)考慮甚高頻天線的位置。本文介紹了甚高頻天線布局時(shí)需要考慮的問題，并選取機(jī)身上5個(gè)典型位置，對(duì)甚高頻通信天線在機(jī)身上不同安裝位置上的方向圖進(jìn)行仿真分析，為甚高頻天線布局提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】甚高頻天線 天線布局 仿真分析

飛機(jī)在起飛、飛行、著陸階段需要與飛機(jī)和地面基站之間進(jìn)行可靠的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。甚高頻（VHF）通信天線用于飛機(jī)之間和飛機(jī)與地面基站之間視距內(nèi)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信，工作頻率為118MHz～136.975MHz。VHF天線工作時(shí)應(yīng)得到全向輻射，無論飛機(jī)何種姿態(tài)，均能與地面臺(tái)在工作頻段內(nèi)進(jìn)行可靠的雙向通信。飛機(jī)在水平飛行時(shí)，天線輻射場(chǎng)的垂直極化應(yīng)占主要優(yōu)勢(shì)。

天線的方向圖是根據(jù)方向性函數(shù)繪制的圖形，用來表示天線在各個(gè)方向上的輻射強(qiáng)度。由于飛機(jī)是一個(gè)幾何形狀不規(guī)則的形體，機(jī)體各部件造成反射、折射、繞射，當(dāng)天線安裝在飛機(jī)上，方向圖會(huì)發(fā)生較大的變化。在干線飛機(jī)上，會(huì)安裝兩到三套甚高頻通信系統(tǒng)，相應(yīng)的至少配置一上一下兩副甚高頻天線，甚至三副甚高頻天線，以保證能夠覆蓋各個(gè)方向。機(jī)身上能夠進(jìn)行天線布局的位置有限，甚高頻天線方向圖容易受到機(jī)身外形影響，進(jìn)行天線布局時(shí)需要重點(diǎn)考慮甚高頻天線的位置，方向圖是否滿足系統(tǒng)工作要求。本文介紹了甚高頻天線布局時(shí)需要考慮的問題，并選取某民用飛機(jī)機(jī)身上5個(gè)典型位置，對(duì)甚高頻通信天線在機(jī)身上不同安裝位置上的天線方向性圖進(jìn)行仿真分析，為甚高頻天線布局提供一定的參考。

1 甚高頻天線布局要求

甚高頻天線布局時(shí)應(yīng)滿足天線隔離度要求，天線之間的隔離度要足夠高。機(jī)身上部或者下部同側(cè)安裝的甚高頻天線應(yīng)距離盡量遠(yuǎn)，避免相鄰天線的方向圖重疊。VHF天線應(yīng)配置在介質(zhì)整流罩內(nèi)，并具有流線型氣動(dòng)力外形，以免影響飛機(jī)的氣動(dòng)外形。天線應(yīng)安裝在不易積水的部位，并且不應(yīng)影響飛行員的視線，尤其是在著陸過程中不應(yīng)妨礙駕駛員的視線。天線應(yīng)盡量靠近天線系統(tǒng)，連接線纜應(yīng)盡量短，使之有最大能量的輸出和最大信號(hào)強(qiáng)度的輸入。VHF天線系統(tǒng)一般由兩到三副天線構(gòu)成全方向性圖，在方位面內(nèi)進(jìn)行空間全向搜索，應(yīng)分別配置在機(jī)頭、機(jī)尾。為了避免天線方向性圖在滾轉(zhuǎn)面內(nèi)傾斜，甚高頻天線一般都是垂直安裝在飛機(jī)的中心線上。

2 機(jī)身上可用于布置天線的區(qū)域

VHF通信天線需要與地面臺(tái)進(jìn)行可靠的雙向通信，要求天線在水平面內(nèi)具有全向的方向圖，對(duì)飛機(jī)上部空間和下部空間能良好覆蓋，應(yīng)同時(shí)安裝在飛機(jī)的上方和下方，大多數(shù)遠(yuǎn)程飛機(jī)會(huì)選裝第3個(gè)VHF通信天線作為備用天線。甚高頻天線布局方案以B737與A320為例，均設(shè)計(jì)了三套VHF系統(tǒng)天線的安裝位置，B737的甚高頻天線采用“一上兩下”的方式，其中一副位于機(jī)身頂部中心線中段，兩副分別位于機(jī)身底部中心線后段和前段。A320采用“兩上一下”的方式，其中兩副位于機(jī)身頂部中心線前段和后段，另一副位于機(jī)身底部中心線后段。

機(jī)身上可用于布置甚高頻天線的區(qū)域中，起落架有可能成為VHF天線的引向器與反射器，所以應(yīng)避開并遠(yuǎn)離起落架；垂尾會(huì)引起遮擋，應(yīng)避免太靠近。當(dāng)天線安裝在機(jī)身下部中區(qū)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙與機(jī)翼會(huì)產(chǎn)生反射，當(dāng)飛機(jī)盤旋時(shí)，機(jī)翼還會(huì)產(chǎn)生屏蔽作用。因此考慮在以下5個(gè)位置布置VHF天線，如圖1所示。

3 VHF天線在不同安裝位置上的輻射特性仿真分析

使用商業(yè)軟件FEKO建模，計(jì)算VHF天線安裝在不同位置上的輻射特性。天線模型采用了一個(gè)1/4波長(zhǎng)（128MHz）的單極子天線，飛機(jī)模型采用某民機(jī)外形尺寸，假設(shè)機(jī)身表面為全金屬飛機(jī)。全機(jī)表面網(wǎng)格離散尺度0.5m，使用基于矩量法的多層快速多極子算法，計(jì)算VHF天線工作頻段中點(diǎn)128MHz機(jī)身上VHF天線在不同站點(diǎn)的輻射特性。

VHF天線安裝在5個(gè)位置上時(shí)計(jì)算的方位面（XOY面、左）、滾轉(zhuǎn)面（XOZ面、中）和俯仰面（YOZ面、右）內(nèi)的歸一化遠(yuǎn)場(chǎng)方向性圖見圖2～6，外圈曲線表示垂直極化分量，內(nèi)圈曲線表示水平極化分量。

由方位面的方向圖可看出，具有良好的對(duì)稱性，天線極化以垂直極化為主；在位置1、2和5上，天線輻射方向圖幾乎在所有方位的電平都大于-5dB；在位置3上，尾翼呈現(xiàn)較明顯的遮擋效應(yīng)，在尾部左、右大約10度范圍內(nèi)方向圖出現(xiàn)了不超過-10dB的凹陷。

由滾轉(zhuǎn)面的方向圖可看出，也具有良好的對(duì)稱性。單極子天線本身的特性決定了在飛機(jī)正上方和正下方一定范圍內(nèi)具有通信盲區(qū)；天線安裝在機(jī)身上部時(shí)，對(duì)上半空間的覆蓋最好，普遍對(duì)下半空間覆蓋變差，但是位置1和3上的天線在下半空間的覆蓋較好，幾乎可以獲得與機(jī)身下部天線類似的水平線以下約30度范圍內(nèi)的良好覆蓋；位置5在水平線以下約50度范圍內(nèi)的方向圖最小電平基本都大于-5dB；安裝在2上的天線由于機(jī)翼的遮擋作用，對(duì)下半空間的覆蓋很差。

由俯仰面的方向圖可看出，由于機(jī)身和尾翼的遮擋，安裝在機(jī)背上的VHF天線在后部下半空間的覆蓋都很差，從位置1到3上的天線對(duì)前部下半空間的覆蓋逐漸變差。

綜合以上天線輻射空間覆蓋的分析可知：機(jī)身上部天線對(duì)上半空間的覆蓋好于下部天線，機(jī)身下部天線對(duì)下半空間的覆蓋好于上半空間，機(jī)身上部較好的天線位置依次是1和3，較差的是2；機(jī)身下部的兩個(gè)天線位置中的5較好，4稍差。

3 結(jié)論

本文介紹了甚高頻天線布局時(shí)需要考慮的問題，通過對(duì)某民機(jī)甚高頻通信天線在機(jī)身上幾個(gè)不同安裝位置的輻射特性進(jìn)行仿真分析，建議甚高頻通信天線在該民機(jī)機(jī)身上較好的布局點(diǎn)在1、3和5，4稍差，VHF天線在布局時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離垂直尾翼、起落架、機(jī)翼等部位。VHF天線安裝在機(jī)身上中部，由于機(jī)翼的屏蔽作用，使得天線方向圖變壞，影響與地面指揮臺(tái)雙向通信作用距離，應(yīng)盡量避免安裝在該位置。

參考文獻(xiàn)

[1]梁福生，王廣學(xué).飛機(jī)天線工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)民航出版社，1997.

[2]蔣楓.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

作者簡(jiǎn)介

寧敏（1985-），女，廣西壯族自治區(qū)柳州人?，F(xiàn)為上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院工程師。研究方向?yàn)樘炀€布局，閃電HIRF防護(hù)。

作者單位

上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 上海市 200212