一種機載短波天線的設計

沙永勝

【摘要】本文對常見機載短波天線進行了歸納分析，并提出了一種機載短波天線的實現方法，分析了其工作原理，給出了設計參數和實測結果。采用基于有限元法的仿真軟件Ansoft HFSS對天線進行建模、仿真優化，最后確定了天線的尺寸。并給出了天線的遠場輻射方向圖，結果表明天線具有良好的電性能特性。

【關鍵詞】機載 短波 天線

隨著戰場信息化技術的發展，機載超短波通信已不僅僅是語音通信，還有數據傳輸和圖像傳輸的要求。因此，對短波天線的性能要求就越來越高。

機載短波電臺使用的天線的重要特性是工作波長在lOm～lOOm，因此，其設計和安裝需要考慮飛機的布局、絕緣設計和防干擾設計。典型天線和特性總結如下。

（1）線狀天線：又稱鋼索天線，一般安裝在飛機背鰭部位和飛機尾部之間。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。在低速飛機上至今還在使用鋼索天線，如國產的Y7飛機與H6飛機上，它們是無桅桿的傾斜天線。

線狀天線的缺點就是安裝在飛機外部，風阻比較大，易于受損，而且天線易變性導致天線參數和使用頻段發生偏差，降低天線的效率和可靠性。優點是易于根據飛機的設計進行改造安裝。

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

探針天線優點可以靈活的安裝在飛機多個部位，天線增益系數較高，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機翼和尾翼振動和溫度變化的影響，而且貼近機身，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。

頂端天線的優點是不受外部風阻影響，可靠性高，天線輻射方向圖均勻。天線缺點是包裹在機翼內部，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。在機翼的頂端或尾端安裝分流天線，其特性與1/4波長負反饋天線類似，天線長度小于波長的1/2。

分流天線的優點是受風阻影響小，可靠性高，且天線方向圖均勻，缺點是成本較高。

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

一、“盲區”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致電磁波傳播距離20km左右就衰耗殆盡了。而天波傳播，因為天線有輻射角，電波經電離層反射回到地面，造成有一段區間內，地波和天波都覆蓋不到，就形成短波通信的靜區，也稱為盲區。

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;而天波傳輸的第一跳由于飛機升空，入射角相比地面通信更大，反射角更大，導致通信盲區現象更為嚴重

二、“盲區”問題的解決方法

要縮小短波通信的“盲區”范圍，實現無盲區通信有兩種方法：

（1）盡量延長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，因此要延長短波地波傳播通信距離，通常是增大電臺發射功率，或是采用定向高增益短波天線，但這兩種方式在實際使用中都有其局限性。因此要解決盲區通信就只有使短波天波傳播的第一跳落地距離接近為零，這個解決方案就是NVIS技術。

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，盲區越少，當仰角足夠大時，短波傳播信號接近于垂直輻射，由電離層返回地面的短波信號正好可以覆蓋整個跳躍區，盲區基本消失。

三、天線的仿真設計

利用Ansoft HFSS仿真軟件對天線進行建模、仿真，計算天線的方向圖和增益曲線并進行天線參數優化。仿真模型如圖1所示：

天線結構采用雙V形式，總體長度為4.2m，夾角為650。

四、仿真結果

天線工作頻率在1.6MHz～30 MHz時，增益-1.8dB—3.9dB，以頻率15MHz為例，對天線進行分析。

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

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

五、結論

本文對常見機載短波天線進行了歸納分析，并提出了一種機載短波天線的實現方法，采用基于有限元法的仿真軟件Ansoft HFSS對天線進行建模、仿真優化，最后確定了天線的尺寸。并給出了天線的遠場輻射方向圖，結果表明天線具有良好的電性能特性。

參 考 文 獻[1]林昌祿主編，《天線工程手冊》，北京：電子工業出版社，2002[2]梁福生，王廣學編著.《飛機天線工程手冊》.中國民航出版社，1997[3]毛康侯，方振民編著，《飛行器天線工程設計指南》.國防工業出版社，1995