機(jī)載垂尾超短波一體化天線的設(shè)計(jì)

鐘志浩，芮錫，李從周，袁斌

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036；2.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 611731)

0 引言

隨著現(xiàn)代信息化作戰(zhàn)體系的逐步建立，對機(jī)載電子設(shè)備的要求也逐步提高，超短波電臺是航空電子通信系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，主要用于飛機(jī)與控制塔臺的空地通信以及飛機(jī)與飛機(jī)空中編隊(duì)間的飛行聯(lián)絡(luò)[1]。在教練機(jī)或戰(zhàn)斗機(jī)等機(jī)載平臺，超短波天線通常安裝于垂尾頂端，天線輻射特性的好壞將直接影響到整個(gè)機(jī)載通信系統(tǒng)的工作性能，設(shè)計(jì)出能夠滿足要求的天線是目前工程研究中的重要方向[2]。

目前國內(nèi)外設(shè)計(jì)的超短波天線主要采用馬刀天線，內(nèi)埋于垂尾頂罩內(nèi)，天線與天線罩分離設(shè)計(jì)并分離測試驗(yàn)證，天線的設(shè)計(jì)階段就未考慮垂尾頂部天線罩的復(fù)雜結(jié)構(gòu)對天線輻射性能的影響，往往單獨(dú)天線在暗室內(nèi)測試性能可以滿足要求，但裝機(jī)后，由于天線罩的傳輸損耗和罩體與天線之間的耦合造成天線裝機(jī)后的增益下降[3]，外場使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)通信距離不夠、通信中斷的現(xiàn)象。因此，對天線與天線罩一體化的研究具有重要意義。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線設(shè)計(jì)難點(diǎn)

超短波天線能夠接收和發(fā)射V/UHF 頻段的電磁信號，主要工作頻段為100～400 MHz[4]，具有以下設(shè)計(jì)難點(diǎn)：

(1)超短波天線采用單極子天線形式，天線理論高度應(yīng)為4/λmax[5]，約為694 mm，而實(shí)際裝機(jī)環(huán)境高度不超過400 mm，天線需要采用小型化設(shè)計(jì)；

(2)機(jī)載超短波天線要求四倍頻工作帶寬，屬于超寬帶天線[6]，需要采用寬頻化設(shè)計(jì)；

(3)天線安裝于垂尾頂端，實(shí)際接地面尺寸過小[7]，并且由于飛機(jī)機(jī)體是一個(gè)復(fù)雜的電磁散射體，機(jī)載天線激勵的機(jī)體表面電流與天線耦合，改變了天線原有的電磁參數(shù)，導(dǎo)致天線在裝機(jī)后方向圖發(fā)生變化，不圓度變差[8]。

為了準(zhǔn)確評估超短波天線裝機(jī)后真實(shí)性能，本文分別對超短波分離式天線和一體化天線進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。

1.2 分離式天線

1.2.1 結(jié)構(gòu)組成

作為傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)方案，如圖1 所示，分離式天線由分離式天線罩和內(nèi)部輻射體組成，再整體內(nèi)埋于飛機(jī)垂尾天線罩內(nèi)，具有兩層天線罩。

由于垂尾天線罩安裝于飛機(jī)垂尾頂端，對氣動和靜強(qiáng)度要求高，內(nèi)部開“腔體”不宜過大，因此也就限制了分離式天線的尺寸，要求寬度不超過220 mm。

1.2.2 輻射體設(shè)計(jì)

如圖2 所示，分離式天線輻射體采用刀型單極子天線形式，印刷在寬度為210 mm、高度為360 mm、厚度為1.6mm的Rogers5880介質(zhì)基板上。輻射體頂部進(jìn)行開縫處理，縫隙寬度為7.5 mm，開縫后貼片上的電流路徑加長，從而等效延長了輻射體長度，降低輻射體的諧振頻率[9]。同時(shí)，在輻射體頂部進(jìn)行集總元件250 nH 電感與220 Ω電阻并聯(lián)電路設(shè)計(jì)，以及在輻射體饋電點(diǎn)右側(cè)并聯(lián)150 Ω的調(diào)諧枝節(jié)，調(diào)節(jié)饋電端口的輸入阻抗，能夠使天線輸入阻抗在低頻段變化平坦，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化與寬頻帶設(shè)計(jì)[10]。

1.3 一體化天線

1.3.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖3 所示，一體化天線采用翼尖罩、天線輻射體及金屬底座背板采用共固化一體成型，相較于分離式天線減少了一層天線罩，且內(nèi)部輻射體可利用空間增大。

一體化天線是天線與天線罩一體化設(shè)計(jì)的技術(shù)方案，在設(shè)計(jì)之初就將天線的電性能設(shè)計(jì)與天線罩的透波、耦合、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等要求統(tǒng)籌考慮，全面提升整個(gè)系統(tǒng)的電氣、重量等性能[11]。

1.3.2 輻射體設(shè)計(jì)

采用天線罩與輻射體一體化設(shè)計(jì)，可充分利用垂尾罩空間，增加天線輻射體設(shè)計(jì)的自由度，詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖4所示，天線輻射體印刷在寬度為800 mm、高度為360 mm、厚度為1.6 mm 的Rogers5880 介質(zhì)基板上，在普通平面單極子的基礎(chǔ)上，增加了天線輻射體使用面積，提高天線的整體輻射效率。同時(shí)在輻射體左右兩側(cè)增加兩處接地套筒，用緊靠在梯形單極子兩側(cè)對稱的兩根寄生元來代替套筒就構(gòu)成了套筒天線[12]，正是由于兩根寄生振子的存在，起到了等效加粗原有單極子天線半徑的作用，使得開式套筒單極子天線的工作頻帶比普通的單極子天線寬得多[13]。最后在頂部采用阻抗匹配技術(shù)，加載100 nH 的電感，實(shí)現(xiàn)寬帶諧振。

1.4 小結(jié)

分離式天線的方案中，垂尾罩和分離式天線通常由不同廠家設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，并且僅以各自單獨(dú)的性能作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，垂尾罩和天線之間相互耦合、影響以及垂尾罩對天線的損耗無法在設(shè)計(jì)中考核。且由于罩體強(qiáng)度影響，分離式天線尺寸受限，輻射體尺寸僅為210 mm×360 mm。

一體化天線方案在設(shè)計(jì)階段就考慮天線罩對天線輻射體的影響，以一體化天線的指標(biāo)作為最后考核指標(biāo)。將垂尾天線罩與超短波天線一體化設(shè)計(jì)，增加了天線的設(shè)計(jì)自由度，充分考慮了天線罩和天線輻射體之間的相互影響，并且內(nèi)部輻射體尺寸擴(kuò)大到800 mm×360 mm，提高了天線的輻射效率。

2 天線仿真

2.1 仿真模型

根據(jù)單極子天線理論，天線需要安裝在無限大的地上，和其鏡像電流組成偶極子天線，才能在水平面輻射全向的垂直極化電磁波。單極子天線的“地”理論直徑應(yīng)大于3 倍波長，當(dāng)天線的接地面較小時(shí)，如圖5 所示，電流會繞過邊緣向下傳輸，向下傳輸?shù)碾娏饕矔⑴c電磁輻射，導(dǎo)致天線的輻射方向圖發(fā)生畸變，同時(shí)還會使天線的端口阻抗失配，導(dǎo)致天線效率降低[14]。

機(jī)載超短波天線的安裝位置通常在垂尾頂端，垂尾頂端視野良好且四周無遮擋，但是只有一塊800 mm×50 mm的金屬安裝槽作為天線的“地”。如圖6 所示，為了盡可能還原真實(shí)裝機(jī)環(huán)境，建立局部飛機(jī)垂尾模型，在垂尾上分別對分離式天線和一體化天線進(jìn)行仿真研究。

圖7 為分離式天線和一體化天線在垂尾上的仿真電壓駐波比，從圖中可知，一體化天線和分離式天線在100～400 MHz 頻段內(nèi)均滿足電壓駐波比VSWR≤2.7。

圖8 和圖9 為兩種天線分別在V 段(130 MHz)和U段(300 MHz)方位面增益對比圖，由于天線接地面過小，導(dǎo)致天線方向圖不是規(guī)則的圓形，天線在低頻段的航向方向增益值較高，背向和側(cè)向無明顯凹陷；在高頻段機(jī)體的側(cè)向±45°附近存在凹陷現(xiàn)象。

表1 為分離式天線和一體化天線在100～400 MHz 內(nèi)3 個(gè)水平面內(nèi)(θ=60°、90°、120°)的平均值增益統(tǒng)計(jì)表，相較于分離式天線，一體化天線在V 段(100～200 MHz)增益提高約3 dB，在U 段(200～400 MHz)增益提高約2.1 dB，并且在全頻段能夠滿足方位面增益≥-6 dBi。

表1 天線平均仿真增益值統(tǒng)計(jì)表

2.2 實(shí)物對比測試

為進(jìn)一步驗(yàn)證一體化天線方案，對天線進(jìn)行實(shí)物加工，并在暗室進(jìn)行對比測試，對比測試如圖10 所示。

如圖11 所示，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對一體化天線和分離式天線進(jìn)行電壓駐波比測試，在100～400 MHz 頻帶內(nèi)，一體化天線電壓駐波比≤2.3，分離式天線電壓駐波比≤2.44。超短波天線屬于寬帶天線，主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)是超寬帶的匹配，一體化天線輻射體尺寸更大，更利于寬帶匹配，所以電壓駐波比優(yōu)于分離式天線。

超短波一體化天線和分離式天線在100～400 MHz的實(shí)測方向圖如圖12～圖15 所示，與仿真結(jié)果的趨勢基本一致，根據(jù)測試結(jié)果，采用一體化天線增益比分離式天線增益提高1～3 dB。若考慮實(shí)際垂尾天線罩對分離式天線的損耗和耦合影響[15]，一體化天線相較于分離式天線，整體增益可提高2 dB 以上，在V 段平均增益≥-7 dBi，U 段平均增益≥-4 dBi，具有較好的全向性。天線實(shí)測平均增益值統(tǒng)計(jì)表如表2 所示。

表2 天線實(shí)測平均增益值統(tǒng)計(jì)表

超短波一體化天線的罩體采用高強(qiáng)度、高透波的復(fù)合材料作為蒙皮，選用紙蜂窩作為輕質(zhì)芯層，表3 為兩種天線實(shí)測重量對比，在滿足靜強(qiáng)度前提下，一體化天線的重量相比于分離式天線減輕了1.9 kg。同時(shí)，超短波一體化天線通過一排螺釘與飛機(jī)垂尾上金屬底座相連，也便于后期維護(hù)，所以一體化天線在重量后期裝機(jī)維護(hù)性都具有明顯的優(yōu)勢。

表3 兩種方案天線重量實(shí)測對比

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款用于飛機(jī)垂尾的超短波一體化天線，并通過理論分析、仿真對比和實(shí)物測試對比了一體化天線與傳統(tǒng)分離式天線的性能區(qū)別，結(jié)果顯示一體化天線和分離式天線采用曲流和加載技術(shù)均能實(shí)現(xiàn)良好的寬帶匹配，工作頻段內(nèi)實(shí)測駐波≤2.5，相較于分離式天線，一體化天線在100～400 MHz 頻段內(nèi)增益提高了約2 dB，重量降低了1.9 kg，天線性能得到了顯著的提高。

通過采用天線和天線罩一體化設(shè)計(jì)的技術(shù)方案，將天線的電性能設(shè)計(jì)與天線罩的透波、耦合、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等要求統(tǒng)籌考慮，全面提升整個(gè)系統(tǒng)的電氣、重量等性能，解決了天線與天線罩之間的加載耦合效應(yīng)而導(dǎo)致天線增益下降的問題，有效地提高超短波通信性能。