直升機載V/UHF寬帶共形天線研究

張 偉

（中國直升機設計研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

隨著我軍信息化作戰(zhàn)體系的逐步建立，在信息化作戰(zhàn)條件下，對直升機平臺的要求也逐步提高，直升機上安裝的通信天線日益增多。為減少天線對載機氣動特性的不利影響，有必要研制直升機載V/UHF寬帶共形天線。共形天線的研究必須基于載機的外形特征及其表面材料屬性，在保證電性能的同時，還要滿足載機外形、強度、環(huán)境條件等要求。

1 概述

共形天線是指與給定外形共形的一類天線。直升機載共形天線即將天線輻射單元嵌入或者集成在直升機光滑曲面表面。

從共形載體的結構看，共形天線可分為平面共形和曲面共形等2種。平面共形的全向天線一般是指垂直極化的天線，而曲面共形的全向天線是指在垂直于其對稱軸的平面內形成近似全向的增益方向圖的天線。

共形天線的核心是天線單元。天線單元目前研究較多的有微帶天線結構（如圖1所示）、縫隙天線結構（如圖2所示）等。

圖1 微帶天線結構

圖2 縫隙天線結構

微帶天線由接地平面、介質基片和微帶單元組成；飛行器的金屬表皮是微帶天線天然的接地平面，將具有一定形狀的印刷電路板與飛行器表皮復合在一起，就構成微帶天線。常規(guī)微帶天線的帶寬很窄，利用多層微帶結構、增加基板厚度和改變饋電激勵方式等，微帶天線的帶寬可增大至30%。

縫隙天線是在導電平面上開長方形縫隙，有橫向單元開槽、縱向單元開槽和斜向開槽3種類型；適當選擇縫隙的形狀、開槽方向和相對位置，可產(chǎn)生不同形狀的天線方向圖。如果把裂縫波導做在飛行器外表面，或者把其放置在表皮中相應縫隙的外面，就形成共形天線陣列。在工程應用中，在縫隙的表面填充介質材料，以滿足承載及環(huán)境適應性等要求。飛行器縫隙天線的主要缺點是帶寬較窄，通常只有5%左右。

直升機平臺具有機身較小、各類天線相對集中的特點，宜采用曲面共形縫隙天線的形式。以黑鷹直升機為例，其斜梁后罩共形設計用30~88MHz的天線代替原桿狀天線，不僅減少了對氣動性能的影響，也避免了桿狀天線折斷帶來的風險。參考外軍經(jīng)驗，為了實現(xiàn)直升機載V/UHF寬帶共形天線水平全向的增益要求，可以選用直升機斜梁前整流罩和斜梁后罩共形設計，前后兩段縫隙結構配合，可以實現(xiàn)水平全向增益要求。同時，直升機斜梁高度在旋翼上方，可以避免旋翼的遮擋。

2 機載共形天線的要求

直升機載平臺對V/UHF頻段寬帶共形天線有多項限制要求，分別是外形要求、強度要求、環(huán)境適應性要求、功能與性能要求。

2.1 外形要求

為了滿足直升機氣動特性的要求，天線單元集成于斜梁前罩和后罩的蒙皮內，其外形尺寸受到斜梁前/后罩蒙皮的尺寸限制。

圖3和圖4是某型直升機平臺的斜梁前罩和后罩的典型外形特征，都呈不規(guī)則的拱形，其中前罩長度約為1567mm，寬度為190mm；斜梁后罩長度約為1753mm，寬度約為112mm。特別是斜梁前/后罩實際上與水平面呈45°夾角，天線單元集成于蒙皮內，也與水平面呈45°夾角，需通過前/后罩天線縫隙的配合設計，實現(xiàn)共形天線最大增益能夠集中在載機水平面上。

圖3 斜梁前罩外形

圖4 斜梁后罩外形

2.2 強度要求

共形天線集成于蒙皮內部，應不改變原蒙皮的強度。

斜梁前罩采用蜂窩夾層結構，為了最大限度地減重，其內外面板均采用了一層復合纖維加一層碳布的形式。復合纖維雖然具有重量輕、韌性好、強度及彈性模量高等優(yōu)點，但是，也具有易吸濕的缺點。碳纖維雖然具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕等一系列優(yōu)點，但其透波性較差。

天線單元集成于蜂窩夾層，可替換原碳布層，為了保證強度，需用多層玻璃布替換原復合纖維布層。

斜梁后罩采用蜂窩夾層結構，其內外面板均采用了兩層復合纖維的形式。天線單元集成于蜂窩夾層，可替換原復合纖維層，為了保證強度，需增加多層玻璃布。

2.3 環(huán)境適應性要求

共形天線作為直升機結構的一部分，與其他結構件具有相同的環(huán)境適應性要求，包括GJB150A中規(guī)定的高溫試驗、低溫試驗、溫度沖擊試驗、太陽輻射試驗、淋雨試驗、振動試驗等。

2.4 功能與性能要求

V/UHF寬帶共形天線需實現(xiàn) 30~8 8 M H z、108~174MHz、224~400MHz射頻信號的收發(fā)功能。極化方式為垂直極化；電壓駐波比（帶內）≤2.5。

為達到作用距離的使用要求，直升機V/UHF共形天線還需滿足30~88MHz的水平全向平均增益不小于-16dBi，108~174MHz的水平全向增益不小于-5dBi，224~400MHz的水平全向增益不小于-2dBi。

電壓駐波比與增益性能具有強耦合性，必須協(xié)調設計，一味地降低駐波比，將會導致平均增益的下降。由于載機未使用174~224MHz頻段，可以充分利用該特點，對天線饋電和駐波進行匹配設計，將大駐波比頻段調節(jié)到174~224MHz頻段范圍。

共形天線與機體結構一體成型，還應滿足功率容量的要求。功率容量是指一個大功率信號持續(xù)通過天線發(fā)射時，天線體不應出現(xiàn)打火、燒蝕等現(xiàn)象，其駐波比不應該發(fā)生變化。V/UHF寬帶共形天線的功率容量為50W，連續(xù)發(fā)射30min。

3 一種共形天線實現(xiàn)方案

本文結合某型直升機平臺，給出了一種直升機載V/UHF寬帶共形天線的實現(xiàn)方案。

3.1 天線組成

共形天線由共形天線前段、共形天線后段、射頻電纜和匹配盒等組成。其中，共形天線前段包括斜梁前罩結構體和天線單元?，共形天線后段包括斜梁后罩結構體和天線單元Ⅱ，如圖5所示。

圖5 共形天線的組成

天線單元集成在共形天線前段、后段的蜂窩夾層中，采用縫隙天線結構。首先，在蜂窩夾層中采用一層微帶線地板，替換原復合纖維層，地板的導體壁上開數(shù)條窄縫，可使電磁波通過縫隙向外空間輻射，形成縫隙天線。前后兩段縫隙天線單元構成輻射單元天線陣。

無限大理想導電平面上的縫隙天線由外加電壓或場激勵，不論激勵方式如何，縫隙中的電場均垂直于縫的長邊，并在縫的中點呈對稱分布。適當選取縫隙的長度和方向，可使天線陣的最大增益面為水平面。

為調節(jié)電壓駐波比，需要在天線單元和射頻信號輸入線纜之間加一個阻抗轉換網(wǎng)絡，將天線單元阻抗變換為射頻電纜阻抗的共軛，實現(xiàn)匹配。天線匹配網(wǎng)絡通常是由電容、電感和理想阻抗變換器組成的無耗互易二端口網(wǎng)絡,輸出端與負載端有良好的匹配；輸入端反射盡可能小；網(wǎng)絡本身無耗或低耗。匹配網(wǎng)絡的作用是改善天線的輸入阻抗，從而改善與饋線的匹配，同時兼顧天線的效率。

共形天線前段、后段之間采用射頻電纜連接；電臺產(chǎn)生的射頻信號也通過射頻電纜進入匹配盒及共形天線前段、后段。通過實際測試，共形天線前后段連接的射頻電纜不應與天線單元相平行，否則將極大降低天線陣的增益水平。

共形天線設計還有一個重要環(huán)節(jié)是天線的搭接設計。良好的搭接可以有效降低天線單元的駐波比，提高天線效率。同時，良好的搭接設計還可以及時消除天線單元周圍積累的靜電荷。本文所參考的直升機平臺的結構體大量采用了復合材料，減輕重量的同時，也給共形天線的搭接帶來了困難。為了實現(xiàn)集成于斜梁蒙皮內的天線單元的搭接，需要在蒙皮內的復合材料鋪層中增加一條超薄銅網(wǎng)帶，以實現(xiàn)天線單元與斜梁金屬骨架的搭接。由于銅網(wǎng)帶與天線單元結構體一體成型，為保證搭接的可靠性，還必須在兩者之間增加一個金屬鑲嵌件，鑲嵌件貫穿了兩種材料，在結構體成型以后，金屬鑲嵌件確保了兩種材料的可靠連接。

3.2 測試方案

共形天線方案設計完成后，還需進行實際測試驗證。傳統(tǒng)的V/UHF天線測試在暗室中進行，并在天線底部加裝一個大的金屬板，用于模擬天線裝機后的機體金屬結構。這種測試方案簡便可行，但是與天線的實際裝機環(huán)境相差較大。其測試結果無法直接應用于裝機后天線性能的驗證評估。

共形天線的性能與機體結構強耦合，無法采用傳統(tǒng)的測試方案。針對共形天線的測試，需專門設計制造測試用直升機斜梁結構件，最大程度貼合共形天線的實際裝機環(huán)境。由于對V/UHF頻段電磁信號輻射產(chǎn)生影響的還有尾減整流罩、平尾等結構件，為了保證測試結果盡可能接近實際狀態(tài)，還需等比例、采用相同材質復制以上結構件的外形構件，并在相同位置安裝。

圖6為駐波比測試方案，首先將共形天線前段、后段安裝到測試結構件上，然后將被測品整體移入暗室轉臺。暗室轉臺需實現(xiàn)水平全向旋轉，并安裝夾具。暗室內的吸波材料需滿足30~400MHz的要求。通過矢量網(wǎng)絡分析儀檢測，共形天線的駐波比最大為2.2。

圖6 駐波比測試方案

圖7 為天線增益測試方案，仍然需要將共形天線前段、后段安裝于結構件上。

圖7 天線增益測試方案

被測件整體安裝在暗室轉臺上，通過轉臺旋轉，測試共形天線的全向增益。轉臺每旋轉1°，需記錄標準天線和共形天線接收信號水平，再經(jīng)過換算，即得出共形天線水平全向的增益情況。

圖8為功率容量測試方案，仍然需將共形天線前段、后段安裝在結構件上。被試件整體移入暗室，使功放工作在預先選取的典型頻點連續(xù)工作30min，觀察共形天線不應有物理損傷和損壞，再次測試共形天線駐波比，檢查是否發(fā)生變化。

圖8 功率容量測試方案

功率容量測試中，測試頻點的選擇應參考駐波比測試的結果。大駐波比的頻點進行功率容量測試時，有可能對功放造成損壞。如果天線載駐波比測試中出現(xiàn)了特別大的駐波比的頻點，那么該頻點將不滿足使用要求，天線方案需進一步改進再行測試。

3.3 測試結果

駐波比測試結果見表1。

表1 駐波比測試結果

從表1可以看出，測試結果完全滿足載機對天線駐波比性能的要求，并且有較大的余量。

圖9為156MHz頻點，共形天線的水平全向增益。0 °方向為直升機航向，可以看出，共形天線在156MHz頻點的天線增益基本滿足載機的要求；在直升機左右兩側存在增益較低的情況，由于駐波比性能指標存在較大的余量，可以適當調節(jié)匹配網(wǎng)絡，提高增益水平。同時，還需進一步優(yōu)化天線縫隙結構，提高直升機左右兩側的增益水平。

圖9 156MHz頻點，共形天線的水平全向增益圖

4 結束語

直升機V/UHF頻段共形天線技術的研究，是直升機平臺信息化技術發(fā)展的重要組成，具有廣闊的應用前景。本文針對某型直升機平臺提出的共形天線方案，經(jīng)測試已具備了基本的裝機應用條件，但是在天線增益方面尚有不足，還有待進一步研究完善。

對于天線增益的影響，最重要的原因是直升機的復合材料結構，特別是其中的碳纖維鋪層。在后續(xù)的研究中可以考慮將縫隙天線的原理應用于機體蒙皮的碳纖維鋪層設計，在滿足強度要求的同時，增添部分縫隙設計，以產(chǎn)生縫隙天線單元陣的效果，減小天線增益的不圓度指標，從而進一步提高共形天線的增益水平。