VHF頻段共形天線在直升機上的設計及仿真

肖健

摘 要：為解決直升機上VHF頻段常用的凸起型單體天線長度長、易斷裂、突出于機身等問題，本文提出了一種適用于直升機上的VHF頻段共形天線設計，將天線輻射體及阻抗匹配器等嵌入在直升機垂尾后緣罩內，在不降低VHF頻段天線電性能指標同時，能有效提高天線的可靠性。采用HFSS軟件對其進行了仿真，結果表明：共形天線在30MHz～88MHz的頻率范圍內駐波比均低于3.5，有著良好的諧振性能，工作頻帶內天線增益穩定，能夠滿足直升機在VHF頻段通信的天線要求。

關鍵詞：VHF頻段；共形天線；駐波比；阻抗補償

中圖分類號：TN820 文獻標識碼：A

Abstract：In order to solve the problems such as long length，easy breaking and protruding fuselage caused by the protruding single antenna in the VHF frequency band on helicopter，this paper presents a VHF frequency band conformal antenna for helicopter，The antenna radiator and impedance matching part embedded in the helicopter tail trailing edge cover，without reducing the electrical performance of the VHF band antenna，it can effectively improve the reliability of the antenna.The conformal antenna is simulated by using HFSS software，the results show that：The VSWR of conformal antenna is less than 3.5 in the frequency range of 30～88MHz.It has good resonance performance，the antenna gain in the working band is stable， so it can meet the requirements of the helicopter in the VHF frequency band.

Keywords： VHFfrequency band； conformal antenna； VSWR ； impedance compensation

0.引言

天線在現代直升機上應用十分廣泛，如直升機上的通信、導航、敵我識別、電子戰、雷達等設備都離不開天線，一架直升機上通常情況下有20多種天線，多的可達到60多種，這些天線只有極少部分安裝在機身內部，絕大多數都突出在機身外部。為了在機身內部安裝天線，需要配套天線罩，天線罩要突出機身，形成鼓包，突出在機身外部的天線多為凸起型單體天線或刀型天線或鞭狀天線。直升機上的這些傳統的天線，無論是裝在飛機內部，還是裝在飛機外部，都對直升機的氣動特性有不利的影響，還會增大飛機的RCS，從改善直升機的氣動外形和降低RCS角度出發，對傳統的天線加以改進，其中共形天線改進方向之一。

共形天線是一種特殊形式的天線，它的特殊之處就在于其形狀與傳統天線不同，傳統天線的形狀取決于天線的電性能要求，而共形天線的形狀既要滿足天線的電性能要求，還要兼顧直升機的氣動特性。根據美國電氣和電子工程師學會的定義（IEEE Stdl45—1993），共形天線指同某一表面共形的天線或陣列，該表面的外形不是由電磁因素，而是由諸如空氣動力或水力等因素確定的。共形天線具有低剖面的特點，可以安裝在飛機表面而不增加風阻，有助于提高飛行器的氣動性能，降低RCS。

我國在八十年代曾經引進美國黑鷹直升機，其超短波上天線采用了嵌入式共形天線的設計理念，至今黑鷹直升機在國內使用良好，且共形天線設計技術成熟可靠，具有低剖面重量輕、易集成等優點，有利于提高直升機的氣動性能，相對于國內，技術理念比較落伍，而現代直升機逐步追求隱身化、高速化，氣動布局和外形顯得至關重要，要求機載天線不外露，共形天線在現代直升機上的設計應用趨之若鶩，鑒于此，本文基于微波和電磁場傳輸理論，提出了采用曲面共形天線形式，將天線輻射體與直升機垂尾前后緣罩進行共形設計，天線與機體結構融為一體，有效解決了直升機上VHF頻段常用的凸起型單體天線重量大、易斷裂、突出于機身影響直升機氣動性能等問題。

1.共形天線模型設計

針對現役直升機VHF頻段單體天線的使用情況進行分析，利用直升機斜后梁外罩作為天線載體，在部件內側安裝天線阻抗匹配部分，構成完整共形天線，其由機體蒙皮外罩、填充蜂窩、天線輻射體、天線阻抗匹配盒等部分組成，如圖1、圖2、圖3所示。

1.1單元微帶天線設計

為了實現全向天線共形，根據電磁場電磁感應定律，使用變形振子天線與機體結構共形。使用一個金屬板或金屬片代替普通單極子的天線桿以修正其結構，形成了相對帶寬較寬的矩形單極子，為進一步減小天線的尺寸，同時與機體進行共形設計，對矩形單極子天線進行折合變形，通過調整折合矩形單極子的長寬比，降低振子的長細比l/a得到較大的截面，獲得更平滑的增益曲線以及良好的阻抗帶寬，進而對天線進行集中加載以提高天線輻射電阻及輻射效率，變形振子天線截面構成的平面天線與矩形單極子具有相同的良好性能，能夠實現變形振子天線在VHF頻段具有良好的阻抗帶寬和輻射效率。

1.2饋電網絡設計

對于共形天線而言，當波束掃描到某一方向時，并不是所有天線單元都對主波束有貢獻，為避免增加副瓣電平和降低天線效率，必須斷開或者改善對主波束無貢獻的單元激勵，根據變形振子天線的基本原理，采用共面波導（CPW）饋電形式，其具有輻射損耗小、色散低、易與其他元器件實現串并連接，提高電路集成度等優點。為獲得50Ω的特性阻抗，共面波導導帶寬度3.6mm，縫隙的寬度0.2mm，通過在折疊縫隙單元中加載相位槽，采用無耗匹配網絡加載，對阻抗進行補償，加載后天線不僅具有良好的阻抗帶寬和輻射特性，而且增大了電流有效路徑，大大降低了天線的整體尺寸，進一步改善天線低頻端的駐波特性，解決了天線單元阻抗不匹配問題。endprint

1.3雷電防護設計

共形天線是非金屬材料和金屬材料的組合體，其外表不再配置傳統的天線罩，外形結構中采用無尖銳的金屬結構，所有邊界部分均采取倒圓角和圓弧面處理，無小開口或縫隙、容積大的容腔結構，腔體部分采用蜂窩材料填充，暴露在外空間環境的材料使用絕緣性能良好的復合材料，整體設計時不使用敏感電子元器件，天線性能不受靜電及雷擊的影響，在結構上增大金屬輻射體橫截面，減少電流聚集。

1.4共形天線結構設計

采用曲面共形天線形式，共形天線結構如圖1所示，將天線輻射體與直升機垂尾后緣罩進行共形設計，如圖2所示，通過最大限度的利用直升機垂尾后緣罩蒙皮，較好的解決天線在VHF頻段天線物理尺寸受限的問題。天線輻射體采用鑲套連接的方式，各電纜焊接焊片，用螺釘螺裝在鑲套上，來實現匹配電路及饋線連接，如圖3所示。

由于天線輻射體直接與直升機垂尾后緣罩蒙皮共形，不需要在機身上開孔，在輻射和接受電磁能量的同時，能夠承受較高的動力載荷。

2.性能仿真分析

運用Ansoft HFSS軟件對VHF頻段共形天線進行了建模和仿真，仿真過程中不斷調節各項參數以優化天線帶寬性能，實現較為理想的設計目標，使用Advanced Design System 2009軟件設計阻抗匹配網絡，進行多次仿真和不斷優化，實現阻抗匹配，圖4是運用HFSS軟件構建的共形天線結構模型。

圖5給出了共形天線的S11下的駐波比仿真結果，可以看出共形天線在30MHz～88MHz的頻率范圍內駐波比均低于3.5，在73 MHz處駐波比達到1.65，很明顯，采用的共面設計技術能夠得到較好的駐波比，共形天線能很好地滿足直升機VHF頻段的通信需求。

一個天線性能的好壞，不僅取決于它的頻帶特性，在很多情況下，輻射方向圖也顯得特別重要，特別是對于這種航空無線電通信場合來說，天線輻射特性（包括增益和方向性）的要求較為嚴格。對共形天線的輻射特性進行了仿真，圖6～圖12分別給出f=30MHz、40MHz、50MHz、60MHz、70MHz、80MHz、88MHz時共形天線的三維方向圖和垂直面方向圖。

從共形天線的三維方向圖和垂直面方向圖中可以很明顯看出，整個30MHz～88MHz工作頻段內共形天線在垂直面保持全向輻射，具有良好的輻射特性和較高的增益，盡管在較低頻率時波瓣較為畸變，然而隨著頻率的增加，天線方向圖不圓度指標越來越好，輻射性能滿足機載通信系統的要求，與現役30MHz～88MHz頻段的桿狀天線比對，共形天線的增益平均值高出0.5dB左右，可以較為有效提升機載30MHz～88MHz頻段天線的通信性能。

結語

VHF頻段共形天線在國內直升機上的應用較少，本文初步設計了一種單元曲面共形微帶天線，并在其基礎上加以阻抗網絡匹配技術，使之內置于直升機垂尾后緣罩表面，可以減少直升機飛行的空氣阻力，仿真結果表明：共形天線在30MHz～88MHz的頻率范圍內駐波比均低于3.5，在73 MHz處駐波比低于1.65，有著良好的阻抗帶寬、圓極化帶寬和諧振性能，在工作頻帶內增益穩定，天線方向圖不圓度整體較好，基本滿足直升機在VHF頻段通信的天線要求，在不降低30MHz～88MHz頻段天線電性能指標的前提下，采用與機體結構共形設計，能夠有效提高天線的可靠性。

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