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        一種機(jī)載短波天線的設(shè)計(jì)

        2015-01-29 19:46:13沙永勝
        中國(guó)新通信 2014年13期
        關(guān)鍵詞:短波天線

        沙永勝

        【摘要】本文對(duì)常見機(jī)載短波天線進(jìn)行了歸納分析,并提出了一種機(jī)載短波天線的實(shí)現(xiàn)方法,分析了其工作原理,給出了設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)測(cè)結(jié)果。采用基于有限元法的仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)天線進(jìn)行建模、仿真優(yōu)化,最后確定了天線的尺寸。并給出了天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖,結(jié)果表明天線具有良好的電性能特性。

        【關(guān)鍵詞】機(jī)載 短波 天線

        隨著戰(zhàn)場(chǎng)信息化技術(shù)的發(fā)展,機(jī)載超短波通信已不僅僅是語音通信,還有數(shù)據(jù)傳輸和圖像傳輸?shù)囊?。因此,?duì)短波天線的性能要求就越來越高。

        機(jī)載短波電臺(tái)使用的天線的重要特性是工作波長(zhǎng)在lOm~lOOm,因此,其設(shè)計(jì)和安裝需要考慮飛機(jī)的布局、絕緣設(shè)計(jì)和防干擾設(shè)計(jì)。典型天線和特性總結(jié)如下。

        (1)線狀天線:又稱鋼索天線,一般安裝在飛機(jī)背鰭部位和飛機(jī)尾部之間。天線主要類型有r型、T型及傾斜式三種,而后者是較為普遍采用的一種。在低速飛機(jī)上至今還在使用鋼索天線,如國(guó)產(chǎn)的Y7飛機(jī)與H6飛機(jī)上,它們是無桅桿的傾斜天線。

        線狀天線的缺點(diǎn)就是安裝在飛機(jī)外部,風(fēng)阻比較大,易于受損,而且天線易變性導(dǎo)致天線參數(shù)和使用頻段發(fā)生偏差,降低天線的效率和可靠性。優(yōu)點(diǎn)是易于根據(jù)飛機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改造安裝。

        (2)探針天線:探針天線的水平長(zhǎng)度為2m~3m,安裝在飛機(jī)的機(jī)翼或者尾翼的邊緣。該天線的特性接近1/4波長(zhǎng)天線,安裝時(shí)需要在機(jī)翼的連接處使用避雷措施以保護(hù)饋點(diǎn)和連接器。

        探針天線優(yōu)點(diǎn)可以靈活的安裝在飛機(jī)多個(gè)部位,天線增益系數(shù)較高,可靠性高,在HF頻段有比較理想的阻抗特性。天線不足之處是易于受到飛機(jī)機(jī)翼和尾翼振動(dòng)和溫度變化的影響,而且貼近機(jī)身,阻抗特性容易受到影響。

        (3)頂端天線:HF頂端天線是一種安裝在機(jī)翼或尾翼的流線型天線,與探針天線具有相似的電特性,但是性能低于1/4波長(zhǎng)天線。由于沒有尖端,其遭受雷擊的概率比探針天線稍低。

        頂端天線的優(yōu)點(diǎn)是不受外部風(fēng)阻影響,可靠性高,天線輻射方向圖均勻。天線缺點(diǎn)是包裹在機(jī)翼內(nèi)部,成本較高。

        (4)分流天線:分流天線與凹槽天線和頂端天線類似,不同之處在于安裝使用了絕緣材料代替了金屬部分。在機(jī)翼的頂端或尾端安裝分流天線,其特性與1/4波長(zhǎng)負(fù)反饋天線類似,天線長(zhǎng)度小于波長(zhǎng)的1/2。

        分流天線的優(yōu)點(diǎn)是受風(fēng)阻影響小,可靠性高,且天線方向圖均勻,缺點(diǎn)是成本較高。

        (5)凹槽天線:凹槽天線通常是切割成槽口狀,安裝在機(jī)身、尾翼、水平翼的下端。天線特性與分流天線類似。

        一、“盲區(qū)”問題概述

        短波通過地波和天波兩種途徑傳播。地波傳播由于地面吸收導(dǎo)致電磁波傳播距離20km左右就衰耗殆盡了。而天波傳播,因?yàn)樘炀€有輻射角,電波經(jīng)電離層反射回到地面,造成有一段區(qū)間內(nèi),地波和天波都覆蓋不到,就形成短波通信的靜區(qū),也稱為盲區(qū)。

        在空域通信中,天線輻射波由直射波和天波組成,直射波由于散射損耗,通信距離受限;而天波傳輸?shù)牡谝惶捎陲w機(jī)升空,入射角相比地面通信更大,反射角更大,導(dǎo)致通信盲區(qū)現(xiàn)象更為嚴(yán)重

        二、“盲區(qū)”問題的解決方法

        要縮小短波通信的“盲區(qū)”范圍,實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)通信有兩種方法:

        (1)盡量延長(zhǎng)短波地波的傳播距離;

        (2)盡量縮短短波天波第一跳折回地面的距離。

        由于地波傳播損耗較大,因此要延長(zhǎng)短波地波傳播通信距離,通常是增大電臺(tái)發(fā)射功率,或是采用定向高增益短波天線,但這兩種方式在實(shí)際使用中都有其局限性。因此要解決盲區(qū)通信就只有使短波天波傳播的第一跳落地距離接近為零,這個(gè)解決方案就是NVIS技術(shù)。

        NVIS就是近垂直入射天波傳播的英文縮寫,它通過使用高仰角天線來縮短天波第一跳落地的距離,其中仰角是指天線輻射波瓣與地面之間的夾角。仰角越高,電波第一跳落地的距離越短,盲區(qū)越少,當(dāng)仰角足夠大時(shí),短波傳播信號(hào)接近于垂直輻射,由電離層返回地面的短波信號(hào)正好可以覆蓋整個(gè)跳躍區(qū),盲區(qū)基本消失。

        三、天線的仿真設(shè)計(jì)

        利用Ansoft HFSS仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行建模、仿真,計(jì)算天線的方向圖和增益曲線并進(jìn)行天線參數(shù)優(yōu)化。仿真模型如圖1所示:

        天線結(jié)構(gòu)采用雙V形式,總體長(zhǎng)度為4.2m,夾角為650。

        四、仿真結(jié)果

        天線工作頻率在1.6MHz~30 MHz時(shí),增益-1.8dB—3.9dB,以頻率15MHz為例,對(duì)天線進(jìn)行分析。

        在工作頻率為15MHz時(shí),天線3D方向圖、水平面方向圖及垂直面方向圖分別如圖所示。

        如圖2所示,在工作頻率為15MHz時(shí),天線最大增益為3.9dB。

        圖3 f=15MHz處天線水平面方向圖

        圖4 f=15MHz處天線垂直面方向圖

        如圖3所示,在工作頻率為15MHz,Theta=90。時(shí),天線水平面最大增益為3.3dB(如ml點(diǎn)所示),半功率波瓣寬度為87。(如m2,m3點(diǎn)所示),后瓣最大增益為2.3dB(如m4點(diǎn)所示)。

        如圖4所示,在工作頻率為15MHz,Phi=0。時(shí),天線垂直面最大增益為3.8dB(如ml點(diǎn)所示),最小增益為-0.3dB(如m2點(diǎn)所示)。垂直面(Theta=90。)輻射呈全向性,不圓度為4.ldB。

        五、結(jié)論

        本文對(duì)常見機(jī)載短波天線進(jìn)行了歸納分析,并提出了一種機(jī)載短波天線的實(shí)現(xiàn)方法,采用基于有限元法的仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)天線進(jìn)行建模、仿真優(yōu)化,最后確定了天線的尺寸。并給出了天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖,結(jié)果表明天線具有良好的電性能特性。

        參 考 文 獻(xiàn)[1]林昌祿主編,《天線工程手冊(cè)》,北京:電子工業(yè)出版社,2002[2]梁福生,王廣學(xué)編著.《飛機(jī)天線工程手冊(cè)》.中國(guó)民航出版社,1997[3]毛康侯,方振民編著,《飛行器天線工程設(shè)計(jì)指南》.國(guó)防工業(yè)出版社,1995

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