武警工程大學(xué)信息工程系 李雪健 李 萍 劉廣斌

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適用于直升機(jī)尾翼的UHF共形天線設(shè)計(jì)

武警工程大學(xué)信息工程系 李雪健 李 萍 劉廣斌

【摘要】本文設(shè)計(jì)了一款適用于直升機(jī)尾翼的柱面共形微帶天線，采用嵌入式微帶饋線方式，分別設(shè)計(jì)了的單元和二元陣列天線。采用HFSS軟件對(duì)單元和二元陣列天線進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：?jiǎn)卧炀€在848MHz-860MHz頻率范圍內(nèi)駐波比均低于1.5，在850 MHz處駐波達(dá)到1.073，最大增益為6.9dB，S11達(dá)到-30.4dB。二元陣列天線駐波比低于1.5的頻率范圍為831 MHz -854 MHz，在850 MHz處駐波達(dá)到1.102，最大增益為5.163dB，S11達(dá)到-24.3dB，輻射方向基本為水平全向。天線的諧振頻率覆蓋國(guó)內(nèi)應(yīng)急救援的UHF頻段，天線與機(jī)體尾翼共形，可直接安裝直升機(jī)尾翼的下半弧面上，減少了空氣阻力。

【關(guān)鍵詞】柱面共形天線；直升機(jī)；UHF

注：國(guó)家青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：61302051）資助的課題。

1　導(dǎo)論

共形天線由于與載體共形設(shè)計(jì)，具有良好的氣動(dòng)性能、電磁兼容性好、風(fēng)阻小等優(yōu)點(diǎn)，使其在航空、制導(dǎo)、雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為了機(jī)載天線的研究的熱門(mén)［1］。國(guó)內(nèi)外對(duì)共形天線的研究大部分針對(duì)固定翼飛機(jī)或?qū)棧?-4］，對(duì)直升機(jī)天線的共形研究較少?，F(xiàn)今大部分的直升機(jī)在應(yīng)急搶險(xiǎn)的UHF波段采用的天線大都為如圖1所示的刀型天線，不僅體積大質(zhì)量重，還突出于機(jī)身影響飛機(jī)氣動(dòng)性能。

本文設(shè)計(jì)了一款工作于UHF波段的柱面共形微帶天線。該天線共形于直升機(jī)尾翼，可以直接安裝尾翼下方。首先設(shè)計(jì)出了的單元柱面微帶天線，在其基礎(chǔ)上，采用并聯(lián)式饋電方式設(shè)計(jì)出二元陣列天線。用Ansoft HFSS軟件對(duì)天線進(jìn)行了仿真并對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析，天線參數(shù)較好。

2　天線仿真設(shè)計(jì)

2.1單元微帶天線仿真

首先設(shè)計(jì)出一個(gè)諧振于850 MHz單元柱面共形微帶天線。將基板與貼片彎曲成半圓柱體形，模擬直升機(jī)尾翼底部，圓柱半徑為138.5mm，與某型號(hào)直升機(jī)尾翼半徑相同。天線采用嵌入式微帶饋電，基板材質(zhì)是RT/ Duroid 5880，損耗角為0.009，介電常數(shù)為2.2，厚度0.795 mm。具體天線參數(shù)如表3.1所示。采用HFSS軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真。仿真模型如圖2所示。

表1　單元天線的所有參數(shù)

圖1　單元微帶天線平面示意圖

圖2　天線模型直觀圖

運(yùn)行HFSS求解仿真結(jié)果，在850MHz的頻率上，所設(shè)計(jì)的微帶貼片天線VSWR 為1.073，在848MHz-860 MHz范圍內(nèi)VSWR低于1.5，回波損耗-30.4dB，最大增益為6.9dB。如圖3，圖4所示。

圖3　單元天線VSWR參數(shù)圖

圖4　單元天線輻射方向增益圖

從遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖可以看出，因?yàn)橛械装宓姆瓷?，單元天線的輻射方向主要指向貼片正面，背面的輻射較少。水平面方向圖為全向但增益較低。

2.2 二元微帶陣列天線仿真

在設(shè)計(jì)的單元微帶天線基礎(chǔ)上，加上并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)將天線組合成二元陣列。天線的HFSS模型如圖5中所示。圓柱體半徑及基板材質(zhì)厚度不變。

圖5　二元陣列天線模型直觀圖

圖6　天線駐波比圖

仿真結(jié)果顯示：二元陣列天線在831 MHz -854 MHz的頻率范圍內(nèi)駐波比均低于1.5，在850 MHz處駐波達(dá)到1.102，最大增益為5.163dB，S11達(dá)到-24.3dB，如圖6、圖7所示

由仿真結(jié)果可以看出，從單元天線變成二元陣的過(guò)程中，由于圓柱體半徑不變，相當(dāng)于增大了柱面天線的曲率半徑。因此二元陣列天線的諧振頻率較單元天線有所下降，但仍在應(yīng)急救援頻段內(nèi)。天線背面輻射增加，輻射方向圖起伏增大，3dB波瓣寬度增大，最大增益有所下降。

圖7　遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

3　結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用于直升機(jī)尾翼的微帶貼片天線研究在國(guó)內(nèi)還是比較少見(jiàn)。本文初步設(shè)計(jì)出單元柱面共形微帶天線，并在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了二元微帶陣列天線，使之可以集成到直升機(jī)尾翼下表面，可以減少直升機(jī)飛行的空氣阻力，提高燃料利用率。其中，單元天線在848MHz-860 MHz，二元陣列天線在831 MHz -854 MHz的頻率范圍內(nèi)駐波比均低于1.5，在850 MHz處駐波均低于1.2，達(dá)到了良好的諧振?；緷M足直升機(jī)在應(yīng)急救援通信的天線要求。

參考文獻(xiàn)

［1］韓振平，錢祖平，倪為民，劉宗全.X波段全向共形機(jī)載天線的仿真與設(shè)計(jì)［A］.指揮控制與仿真，2011.

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［5］Vidhi Sachdeva，Prakash Kumar Mishra，Drishti Sharma，Samir Dev Gupta. Design of Antenna Conformal to Cylindrical Surface for Aircrafts［A］.Fifth International Conference on Communication Systems and Network Technologies，2015.

Design UHF conformal antenna Suitable for a helicopter tail

LI Xue-jian LI Ping LIU Guang-Bin
（Department of Information Engineering，Engineering University of CAPF，Xi'an 710086）

ABSTRACT：In this paper，a suitable helicopter tail cylindrical conformal microstrip antenna is designed with both unit and binary array antenna respectively in embedded microstrip feeder mode.It turns out that cells in the 848MHz-860 MHz antenna VSWR were less than 1.5，at the frequency of 850 MHz，VSWR reached 1.073，the maximum gain of 6.9dB，S11reach-30.4dB by using HFSS software unit and binry arrays antenna simulation. VSWR of Binary Arrays antenna were less than 1.5 in the frequency range 831 MHz -854 MHz，at the frequency of 850 MHz，VSWR reached 1.102，the maximum gain is 5.163dB，S11reach -24.3dB，radiation substantially horizontal omnidirectional.The resonant frequency of the antenna covering the country's emergency rescue of the UHF band，and conformal with the helicopter tail，can be installed directly on the lower half arc helicopter wing，reducing the air resistance.

Keyword：cylinder Conformal antenna；helicopters；UHF