關于機載天線設計及天線系統布局的分析

摘 要：隨著科學技術的快速發展，機載平臺中有較多電子設備逐漸被融入其中，有利于平臺戰術功能的進一步提高。而這種功能提高的關鍵在于平臺中合理的機載天線設計與系統布局方面，一旦忽視優化天線設計與系統布局工作，將制約機載平臺整體功能的發揮。對此，文章將對機載天線設計的思路以及天線系統布局進行探析。

關鍵詞：機載天線設計；天線布局；發展趨勢

前言

作為飛機系統中交換電磁能量的重要構件，機載天線實質為感知系統組成部分。從現行機載平臺結構看，由于其與艦船、地面等平臺存在較多差異，整個空間較為有限，并非任何天線都可設計其中，需綜合考慮天線高度、重量以及安裝位置等，這樣才可使飛機操穩特性、安全性能得以提升。因此，文章通過分析機載天線的設計以及天線布局優化的思路，對機載平臺功能的發揮具有十分重要的意義。

1 機載天線設計的思路

現行關于機載天線的設計，可采取的方式主要通過較多的優化算法以及快速分析計算方式，然而實際優化設計中仍存在一定的問題包括低剖面寬頻帶微帶天線、特定波束雙錐天線等，需采取相關的優化措施。常見的方式如粒子群優化算法等，其具有算法通用性強、協同搜索以及編程簡便等優勢，對天線設計中問題的解決可起到明顯的效果。以雙錐天線為例，其在設計中存在的問題主要集中在對俯仰面方向圖提出特定要求情況下，設計目標難以實現。對此可考慮引入改進型雙錐天線，其在波瓣寬度、方向圖增益控制過程中，主要需對饋電結構上下錐角、結構間距進行調節，使電壓駐波比符合頻帶規定要求。同時，若天線外形尺寸不存在問題，為使天線增益得到提高，可對椎體半徑、高度進行控制。另外，高頻段環境下，若需使俯仰面獲取更多增益，應注重通過對結構上下錐角以及主體半徑等進行控制，使波束的寬度與指向要求得以滿足。同理，低頻段情況下對于波束寬度與指向問題也以結構錐角與半徑等為依據[1]。

另外，天線設計過程中存在的問題也集中在微帶天線方面，尤其對于低剖面寬頻帶類型，其存在的問題更為明顯。以2.45GHz工作頻率的微帶天線為例，其介質板介電常數、介質板厚度上分別為2.65與0.008λ0，通過仿真分析得出，在1mm介質板厚度的情況下，盡管諧振頻點仍可出現，但阻抗匹配卻無法實現，原因在于諧振頻點中帶寬較為有限，加上天線結構不具備較大的自由度，使諧振頻點無法相近。此時在優化設計過程中，便需考慮到天線結構自由度問題，可使縫隙向輻射邊進行延伸，并保證諧振臂能夠自由伸縮，這樣原有U形槽微帶天線得以改進，最終形成U形耦合微帶天線。事實上，根據現代機載平臺功能要求，還需考慮到機載陣列天線的設計內容，可將GPSO算法引入其中，優化設計方向圖，進而提出印刷振子陣列試驗結果，利用其指導天線設計的全過程[2]。

2 天線系統布局分析

2.1 明確任務系統的基本要求

由于機載平臺中不同電子設備具有不同的功能，所以安裝天線中需考慮不同的內容。假設對機翼前緣、機腹、垂尾、機背以及機頭分別用V、IV、III、II、I進行表示，此時整個天線布局如圖1所示。

根據圖1可知，在天線布局中應根據不同區域采取不同的安裝方法。如在I區部分，應將氣象雷達天線設置其中，其目的在于對障礙物、地形以及前方氣象進行探測；而在II與IV區，應將超短波天線設置其中，這樣能夠保證空地或空空的通信得以實現，同時在這兩個區域內還需進行應答機天線的設置，這樣可保證航管站了解飛機相關氣壓高度等信息；在V區與IV區，需安裝的天線主要以無線電高度表為主，其負責對著陸過程中飛機離地高度的探測，需以兩根天線為主，包括接收天線與發射天線；在II區與IV區還需考慮進行無線電羅盤天線的設置，該處天線以定向、定線天線為主，主要負責飛機與導航臺位置的指示；III區與IV區內，需安裝的天線主要以儀表著陸系統為主，其包括下滑信標以及指點信標等類型天線；在II與III區域還需考慮衛星導航信號接收問題，可進行GPS天線的安裝，能夠使飛行速度與經緯度位置等得以確定。

2.2 方向圖設計思路

方向圖的設計是天線系統布局中需考慮的重要問題，機體中的許多構件如螺漿、尾翼或機身都可能影響方向圖。對此問題，天線布局過程中首先考慮到垂直面方向圖范圍，避免有深凹零值點存在于方向圖中。且應注意波束寬度在同一角度方向上應保持相等。而從水平極化天線角度看，在設計過程中應對飛機機動范圍進行分析，以50°為最小波束寬度。其次，在立體角范圍中方向圖的設計要求在任何輻射方向上，全向天線的輻射保持相同。但這種設計方式往往存在一定的難題，很難使輻射保持相等，這樣在設計過程中便需做好方向圖不均勻度的設計，對飛機前向、后向中天線覆蓋范圍進行限定[3]。

2.3 對電磁兼容性問題的考慮

電磁兼容性是系統布局中需考慮的主要問題，要求結合接收、收發以及發射天線等完成布局過程，尤其其中的接收天線，需保證其所處的區域不具備較強的電磁敷設。具體設計思路主要表現在：第一，以天線間隔為依據進行布局設計。天線將是影響平臺設備運行的關鍵性因素。可取天線最低工作頻率時的波長，間隔可為波長的3/8。但假如機載設備具有較大的功率，仍無法保證各系統功能的具體發揮，此時天線隔離度仍是需考慮的重要問題。對其可引入現代仿真軟件如HFSS、CST等對天線布局分析，確保布局得到優化。第二，天線與電纜間隔是布局設計中的主要問題。假若發射天線區域內有電纜存在，很容易使輻射能量直接作用于電纜中，這樣機載設備可能接收到來自電纜的能量，最終形成干擾。因此在實際布局設計中應注重做好電纜屏蔽工作，或采取對天線與電纜距離增加的方式，也可取得良好的效果。第三，天線與設備間隔問題。機載設備往往會由機殼進行射頻信號的傳輸，若天線對這些射頻信號接收，很容易將這些能量傳入到敏感電子元件中，導致元件性能受到影響。對此，在布局中可從設備屏蔽質量著手，或對天線與設備間距進行增加。第四，布局中應對電磁環境問題進行分析。電磁環境下，相關操作人員往往易受到電磁輻射影響，所以在天線布局過程中應保證與電磁環境區域保持較大的間隔，可考慮使機翼、機身蒙皮在屏蔽功能上得以強化，有利于削弱電磁輻射對人員造成的傷害[4]。

3 結束語

機載平臺功能的發揮主要受天線的設計與天線布局影響。實際設計過程中應正視設計中存在的問題，注重引入相應的優化算法，根據優化計算結果使天線設計更為合理。同時，在天線布局中應以任務系統要求為依據進行各區域天線設計，并保證方向圖的設計更為合理，且充分考慮到電磁兼容性問題，這樣才可提升飛機的安全性。

參考文獻

[1]林晨.機載天線設計及天線系統布局研究[D].西安電子科技大學，2011.

[2]陳加海，周建江.機載天線RCS減縮及其布局設計[J].南京航空航天大學學報，2014，6：845-850.

[3]路志勇，宋長宏.機載系統天線布局及電磁兼容性分析[J].微波學報，2010，S2：10-12.

[4]魏亮，李峰，王濤濤.飛機天線系統EMC設計[J].現代電子技術，2012，16：112-113+125.

作者簡介：張雄偉（1977，12-），男，漢族，陜西榆林，學歷：本科，工程師，工作單位：陜西烽火通信集團有限公司，研究方向：電磁場與電磁波的輻射、天線的研發。