方金鵬, 陳奇平, 梁子長, 張 元

(環(huán)境電磁特征國家重點實驗室,上海200438)

0 引言

短波通信由于其固有的應用范圍廣、作用距離遠等特性[1],廣泛應用于現(xiàn)代大型飛機遠距離視距外通信領域。機載短波通信是現(xiàn)代各種飛機完成各項任務、保障飛行安全的重要手段。機載高頻天線作為短波通信中的關鍵部件,對飛機各系統(tǒng)的性能都會產(chǎn)生影響。目前,機載高頻天線有多種形式,其中隱蔽式的回線天線具有多方面的優(yōu)點:損耗相對較小、效率相對較高,而且不影響處于垂尾前緣處的防冰氣囊,因此得到廣泛的應用。

盡管如此,機載高頻天線在工作時,機身結(jié)構會改變天線原來的輻射特性,同時機身會產(chǎn)生感應電磁流,產(chǎn)生二次輻射,并使機身處于機載高頻天線的輻射場內(nèi)[2]。因此,飛機上關鍵部件,如機翼加油口或發(fā)動機進氣口,是否能夠承受感應電磁流和天線輻射場的干擾而正常地、安全地工作,這是一個亟需解決的關鍵問題。因此,飛機研制生產(chǎn)前就需要對這個問題進行研究分析,避免造成不必要的成本浪費和時間延誤。

本文主要對機載垂尾高頻天線進行精確的電磁建模,并用天線模型的測試數(shù)據(jù)對模型進行驗證。在此基礎上,將其與飛機整機模型進行復合仿真計算,分析關鍵部件處的輻射場特性。

1 仿真方法

1.1 電磁建模方案

精確地對飛機這樣復雜形體進行整體電磁建模是后續(xù)進行數(shù)值分析的前提和關鍵技術步驟。垂尾高頻天線作為整個仿真中的輻射源,其電磁模型的準確性將較大地影響飛機表面附近的輻射場強。建模過程中,根據(jù)飛機天線模型天線輸入阻抗的測試數(shù)據(jù),對垂尾高頻天線的幾何結(jié)構、饋電電壓、蒙皮電導率、蒙皮厚度等參數(shù)進行優(yōu)化,最終得到較為準確的仿真模型。然后,無縫拼接飛機模型和天線模型,并在一定精度范圍內(nèi)修改拼接處的幾何結(jié)構。最后,采用精度較高的矩量法對復合模型進行仿真計算[3,4],并分析飛機關鍵位置處的輻射場強特性。

圖1所示為機載垂尾高頻天線輻射特性的仿真框圖。圖中,飛機外形二次幾何建模:

a)建立對稱性模型;

b)局部幾何模型細化;

c)與天線幾何模型拼接及幾何修正。

圖1 機載垂尾高頻天線輻射特性的仿真框圖

本文主要的仿真工作包括:

a)飛機模型區(qū)域細化處理,并對離天線較近的垂直尾翼、水平尾翼邊沿進行網(wǎng)格細化;

b)建立與飛機整機模型拼接的天線模型,并根據(jù)天線輸入阻抗的測試數(shù)據(jù),對天線模型的參數(shù)進行分析計算和優(yōu)化;

c)利用模型的YZ面對稱性進行對稱處理,以減小仿真計算對計算機內(nèi)存的消耗,并縮減仿真時間,圖2所示為某飛機的對稱幾何模型和高頻天線安裝位置的局部幾何示意圖;

d)采用精度較高的矩量法,在短波頻段內(nèi)對飛機模型進行仿真計算,獲得關鍵位置處的輻射場分布。

1.2 機載天線輸入阻抗測試

天線是無線通信系統(tǒng)最基本的部件,一定程度上決定了通信系統(tǒng)的特性。而評定天線的性能就需要對天線的方向圖、增益、輸入阻抗、駐波比、極化等參數(shù)進行測量。其中,天線系統(tǒng)的輸入阻抗和駐波比直接影響天線的發(fā)射效率。

利用矢量網(wǎng)絡分析儀,在天線饋電點處測試整個短波頻段內(nèi)的天線輸入阻抗。圖3所示為垂尾隱蔽式高頻天線輸入阻抗測量示意圖。

圖2 某飛機的幾何模型

圖3 垂尾隱蔽式高頻天線輸入阻抗測試示意圖

2 數(shù)值結(jié)果與討論

2.1 機載天線參數(shù)估算

天線仿真模型中縫隙參數(shù)選擇為:天線的縫隙寬度 w=200 mm;饋電的縫隙寬度B=150mm。根據(jù)隱藏式垂尾高頻天線實物模型,選擇其中與仿真模型最為接近的天線模型,其中天線的縫隙寬度w=190mm;饋電的縫隙寬度B=190mm,進行輸入阻抗測試。仿真過程中不斷與測試數(shù)據(jù)進行比較,并對天線模型參數(shù)進行優(yōu)化,最后選取合適的天線模型參數(shù):蒙皮電導率為2×10-5S/m;蒙皮厚度為2 mm。

表1所示為仿真結(jié)果和天線模型測試數(shù)據(jù)對比表。從表中可以看出,仿真結(jié)果和天線模型測試數(shù)據(jù)的取值范圍基本一致,均表現(xiàn)為兩端工作頻率段小,中間大的變化趨勢,但最大阻抗的頻率不同。

表1 仿真結(jié)果和天線模型測試數(shù)據(jù)對比表

圖4所示為單位饋電電壓時天線的輸入功率對比圖,其中天線模型的輸入功率是由測試的輸入阻抗計算得到的。從圖中可以明顯看出,單位饋電電壓時高頻天線的輸入功率的仿真結(jié)果與測試結(jié)果有比較好的吻合度。

為估算天線饋電電壓的大小,取單位饋電電壓時,天線的輸入功率為0.3 mW。由于實際工作時,天線的最大輸入功率為175W,在假定無損耗的情況下,實際工作時,天線的饋電電壓約為750 V。

2.2 關鍵部件處輻射場仿真結(jié)果

圖4 單位饋電電壓時天線輸入功率的對比圖

經(jīng)過對高頻天線的幾何建模以及參數(shù)的估算后,就可以對飛機關鍵部件處的輻射場進行有效的仿真計算,所得結(jié)果可以驗證高頻天線的設計是否滿足當初預期的設計要求,并為飛機的電磁兼容問題提供一些參考依據(jù)。

在短波頻段內(nèi)選取幾個典型的頻率點進行仿真,計算發(fā)動機進氣口附近的場強。圖5所示為發(fā)動機進氣口附近的場強幅值與頻率的對應關系。

圖5 發(fā)動機進氣口附近最大場強幅值示意圖

從圖中可以明顯看出,工作頻率在9.5 MH z和26 MH z時,發(fā)動機進氣口附近的最大場強幅值出現(xiàn)峰值,分別為166 dBμV/m 、159 dBμV/m。如果該場強峰值超過了預期設計的安全閾值,則高頻天線的設計不符合預期的要求。

圖6所示為工作頻率在9.5 MHz時,距離發(fā)動機進氣口口面3 cm處的場強分布圖,其中圖中的場強值是以饋電電壓為1 V時的仿真數(shù)值。仿真結(jié)果可以為設計者提供參考依據(jù),分析其是否滿足預期設計的要求。

圖6 9.5M Hz時發(fā)動機進氣口附近的場強分布圖

3 結(jié)論

本文通過對飛機天線模型高頻天線輸入阻抗進行測試,并根據(jù)測試結(jié)果,對機載垂尾隱蔽式高頻天線進行較精確的電磁建模。然后拼接飛機整機電磁模型和天線模型,采用矩量法對其復合模型進行仿真計算,分析了飛機發(fā)動機進氣口附近等關鍵位置的場強分布。上述仿真結(jié)果可以為飛機安全設計和飛機電磁兼容問題提供參考依據(jù)。

[1] 董彬虹,李少謙.短波通信的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].信息與電子工程,2007,5(1).

[2] 梁福生,王廣學.飛機天線工程手冊[S].北京:中國民航出版社,1997.

[3] 聶在平,方大綱.目標與環(huán)境電磁散射特性建模[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[4] Harrington R F.Field Computation by Moment M ethods[M].New York:M cM illan,1968.