方金鵬， 梁子長， 武亞君， 張 元

（1.上海市航空航天器電磁環(huán)境效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200438）

0 引言

機(jī)載VHF天線是無方向性的全向天線，一般安裝于飛機(jī)機(jī)腹或機(jī)背位置［1］，主要用于空空、空地通信［2］。天線安裝到飛機(jī)上后，其輻射特性會受到機(jī)身外殼的影響。飛機(jī)機(jī)體是一個(gè)復(fù)雜的電磁散射體，由機(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)，并構(gòu)成一個(gè)更加復(fù)雜的天線，其天線方向圖將發(fā)生改變。這種電磁兼容性問題在飛機(jī)研制過程中必須要考慮，特別是那些用于試驗(yàn)驗(yàn)證等用途的研制改裝機(jī)，其新增加的外掛設(shè)備比較多，機(jī)載天線方向圖畸變的影響更加突出。針對該類問題，進(jìn)行嚴(yán)格的理論分析是非常復(fù)雜的，試驗(yàn)測試法也不易得到全面與系統(tǒng)的結(jié)果，此外試驗(yàn)方法存在耗時(shí)耗力的局限性。

文章首先根據(jù)機(jī)載VHF天線和飛機(jī)機(jī)體模型，建立載體一體化天線仿真模型，并采用矩量法（MoM）仿真分析飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星通信天線罩對機(jī)載VHF天線輻射特性的畸變影響［3］，最后確定VHF天線的布局方案和最佳安裝位置［4，5］。

1 載體一體化仿真模型

某研制飛機(jī)外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，飛機(jī)機(jī)身總長度33.4m。

圖1 某研制飛機(jī)外形結(jié)構(gòu)圖

飛機(jī)背部距機(jī)頭18.8m 處安裝有一個(gè)機(jī)載VHF天線，其天線模型如圖2所示，由于機(jī)載天線小型化設(shè)計(jì)的需求［6］，該天線設(shè)計(jì)成如圖所示的刀形天線。

圖2 某機(jī)載VHF天線模型

當(dāng)機(jī)載天線安裝到飛機(jī)上后，飛機(jī)機(jī)身的金屬表面作為機(jī)載天線的地。飛機(jī)表面形狀、尺寸大小、天線安裝位置等都會對天線的性能造成一定程度的影響。此外，機(jī)載天線可以視為激勵，飛機(jī)機(jī)體視為輻射體，機(jī)身表面形成的二次激勵輻射會對機(jī)載天線的輻射特性產(chǎn)生影響。因此，機(jī)載天線布局優(yōu)化過程中，應(yīng)聯(lián)立機(jī)載天線和飛機(jī)機(jī)體模型，建立載體一體化天線仿真模型。

由于后期研制需求，飛機(jī)背部新增衛(wèi)星通信天線和天線罩。衛(wèi)星通信天線罩如圖3所示，其長寬高尺寸為1.75m×1.5m×0.6m，安裝位置在距離機(jī)頭12 m～13.8 m 處，即安裝在機(jī)載VHF天線正前方。

圖3 衛(wèi)星通信天線罩模型

2 數(shù)值結(jié)果與討論

2.1 VHF天線輻射特性

機(jī)載VHF 天線工作頻率為118 MHz～136.975MHz，文中選擇中心頻率127.5MHz作為仿真分析頻率。無飛機(jī)平臺影響時(shí)，VHF天線的輻射方向圖如圖4所示。

圖4 VHF天線方向圖

從圖中明顯看出，VHF天線是一個(gè)全向天線，在水平面內(nèi)天線增益不平坦度小于為0.5dB。

2.2 飛機(jī)平臺對天線輻射特性影響

天線布局方案設(shè)計(jì)中，VHF天線安裝在飛機(jī)背部距機(jī)頭18.8 m 處。聯(lián)立飛機(jī)平臺模型，以飛機(jī)機(jī)身金屬表面作為VHF 天線的地，進(jìn)行載體一體化天線模型仿真。如圖5所示為飛機(jī)平臺及天線罩影響下VHF天線三維輻射方向圖及水平面±5°平面內(nèi)的輻射方向圖。

圖5 飛機(jī)平臺對天線方向圖影響

從圖4和圖5兩圖中可以看出，飛機(jī)平臺對VHF天線輻射方向圖產(chǎn)生一定程度的影響，水平面內(nèi)天線增益不平坦度達(dá)到10dB以上。由于飛機(jī)尾翼的遮擋作用，天線方向圖在水平面±5°平面內(nèi)沿尾翼方向出現(xiàn)較大的凹陷；同樣由于衛(wèi)星通信天線罩的影響，VHF天線方向圖在機(jī)頭方向也存在一定的凹陷。

2.3 天線布局優(yōu)化

VHF天線安裝位置在衛(wèi)星通信天線罩和飛機(jī)尾翼之間，因此天線安裝位置可優(yōu)化的范圍在14m～23m 之間。天線安裝最佳位置應(yīng)確保天線方向圖在水平面的全向性受影響最小。采用MoM 法，分別仿真計(jì)算不同安裝位置處的天線輻射方向圖。

圖6 不同安裝位置時(shí)VHF天線全向性比較

表1 不同安裝位置的VHF天線增益最大變化值

如圖6和表1所示為不同安裝位置時(shí)，VHF天線在不同俯仰角下天線增益最大變化值。從圖表中可以看出，安裝位置位于20.7 m 附近時(shí)，VHF天線方向圖的全向性最好。這主要因?yàn)樘炀€位置越靠前，衛(wèi)星通信天線罩的遮擋影響越明顯，其對天線方向圖的全向性影響就越大；天線位置越靠后，飛機(jī)尾翼的遮擋影響也越明顯，其對天線方向圖的全向性影響也越大。

如圖7和圖8所示為天線安裝在20.7m 位置時(shí)，VHF 天線的輻射方向圖。從圖中可以看出，水平面內(nèi)僅在飛機(jī)尾翼方向小角度范圍內(nèi)天線增益不平坦度在8dB左右，其它大部分角度內(nèi)天線增益不平坦度僅在1dB 左右，基本滿足VHF天線的全向性要求。

因此，VHF 天線的合理安裝位置應(yīng)位于20 m～22m 范圍內(nèi)；而20.7 m 附近的位置是天線最佳的安裝位置。

圖7 VHF天線方向圖（安裝位置20.7m）

圖8 VHF天線水平面二維方向圖

3 結(jié)束語

本文采用矩量法（MoM）法對某機(jī)載VHF天線布局優(yōu)化進(jìn)行了仿真分析，得出了飛機(jī)平臺及新增加的衛(wèi)星通信天線罩對天線方向圖的影響，并確定了VHF 天線安裝的最佳位置。文中的機(jī)載天線布局分析方法可以為其它機(jī)載天線布局優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，而具體的布局方案還需視機(jī)型自身的特點(diǎn)進(jìn)行具體優(yōu)化。

［1］ 劉付星.機(jī)載VHF通信系統(tǒng)干擾研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2010.

［2］ 陳玉東，全力民.機(jī)載天線及其布局設(shè)計(jì)要求［J］.航空電子技術(shù)，2008，39（3）.

［3］ Harrington R F.Field Computation by Moment Methods［M］.New York：McMillan，1968.

［4］ 姚友雷，王寶發(fā).機(jī)載天線電磁兼容及布局分析［J］.航空學(xué)報(bào)，1994，15（6）.

［5］ 蘇東林，王東方，等.機(jī)載天線電磁兼容性分析［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，28（2）.

［6］ 儲嘉惠.VHF／UHF 機(jī)載寬帶天線小型化研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2006.