直升機(jī)載V/UHF寬帶共形天線研究

張 偉

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

隨著我軍信息化作戰(zhàn)體系的逐步建立，在信息化作戰(zhàn)條件下，對(duì)直升機(jī)平臺(tái)的要求也逐步提高，直升機(jī)上安裝的通信天線日益增多。為減少天線對(duì)載機(jī)氣動(dòng)特性的不利影響，有必要研制直升機(jī)載V/UHF寬帶共形天線。共形天線的研究必須基于載機(jī)的外形特征及其表面材料屬性，在保證電性能的同時(shí)，還要滿足載機(jī)外形、強(qiáng)度、環(huán)境條件等要求。

1 概述

共形天線是指與給定外形共形的一類天線。直升機(jī)載共形天線即將天線輻射單元嵌入或者集成在直升機(jī)光滑曲面表面。

從共形載體的結(jié)構(gòu)看，共形天線可分為平面共形和曲面共形等2種。平面共形的全向天線一般是指垂直極化的天線，而曲面共形的全向天線是指在垂直于其對(duì)稱軸的平面內(nèi)形成近似全向的增益方向圖的天線。

共形天線的核心是天線單元。天線單元目前研究較多的有微帶天線結(jié)構(gòu)（如圖1所示）、縫隙天線結(jié)構(gòu)（如圖2所示）等。

圖1 微帶天線結(jié)構(gòu)

圖2 縫隙天線結(jié)構(gòu)

微帶天線由接地平面、介質(zhì)基片和微帶單元組成；飛行器的金屬表皮是微帶天線天然的接地平面，將具有一定形狀的印刷電路板與飛行器表皮復(fù)合在一起，就構(gòu)成微帶天線。常規(guī)微帶天線的帶寬很窄，利用多層微帶結(jié)構(gòu)、增加基板厚度和改變饋電激勵(lì)方式等，微帶天線的帶寬可增大至30%。

縫隙天線是在導(dǎo)電平面上開長(zhǎng)方形縫隙，有橫向單元開槽、縱向單元開槽和斜向開槽3種類型；適當(dāng)選擇縫隙的形狀、開槽方向和相對(duì)位置，可產(chǎn)生不同形狀的天線方向圖。如果把裂縫波導(dǎo)做在飛行器外表面，或者把其放置在表皮中相應(yīng)縫隙的外面，就形成共形天線陣列。在工程應(yīng)用中，在縫隙的表面填充介質(zhì)材料，以滿足承載及環(huán)境適應(yīng)性等要求。飛行器縫隙天線的主要缺點(diǎn)是帶寬較窄，通常只有5%左右。

直升機(jī)平臺(tái)具有機(jī)身較小、各類天線相對(duì)集中的特點(diǎn)，宜采用曲面共形縫隙天線的形式。以黑鷹直升機(jī)為例，其斜梁后罩共形設(shè)計(jì)用30~88MHz的天線代替原桿狀天線，不僅減少了對(duì)氣動(dòng)性能的影響，也避免了桿狀天線折斷帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。參考外軍經(jīng)驗(yàn)，為了實(shí)現(xiàn)直升機(jī)載V/UHF寬帶共形天線水平全向的增益要求，可以選用直升機(jī)斜梁前整流罩和斜梁后罩共形設(shè)計(jì)，前后兩段縫隙結(jié)構(gòu)配合，可以實(shí)現(xiàn)水平全向增益要求。同時(shí)，直升機(jī)斜梁高度在旋翼上方，可以避免旋翼的遮擋。

2 機(jī)載共形天線的要求

直升機(jī)載平臺(tái)對(duì)V/UHF頻段寬帶共形天線有多項(xiàng)限制要求，分別是外形要求、強(qiáng)度要求、環(huán)境適應(yīng)性要求、功能與性能要求。

2.1 外形要求

為了滿足直升機(jī)氣動(dòng)特性的要求，天線單元集成于斜梁前罩和后罩的蒙皮內(nèi)，其外形尺寸受到斜梁前/后罩蒙皮的尺寸限制。

圖3和圖4是某型直升機(jī)平臺(tái)的斜梁前罩和后罩的典型外形特征，都呈不規(guī)則的拱形，其中前罩長(zhǎng)度約為1567mm，寬度為190mm；斜梁后罩長(zhǎng)度約為1753mm，寬度約為112mm。特別是斜梁前/后罩實(shí)際上與水平面呈45°夾角，天線單元集成于蒙皮內(nèi)，也與水平面呈45°夾角，需通過(guò)前/后罩天線縫隙的配合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)共形天線最大增益能夠集中在載機(jī)水平面上。

圖3 斜梁前罩外形

圖4 斜梁后罩外形

2.2 強(qiáng)度要求

共形天線集成于蒙皮內(nèi)部，應(yīng)不改變?cè)善さ膹?qiáng)度。

斜梁前罩采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，為了最大限度地減重，其內(nèi)外面板均采用了一層復(fù)合纖維加一層碳布的形式。復(fù)合纖維雖然具有重量輕、韌性好、強(qiáng)度及彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)，但是，也具有易吸濕的缺點(diǎn)。碳纖維雖然具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，但其透波性較差。

天線單元集成于蜂窩夾層，可替換原碳布層，為了保證強(qiáng)度，需用多層玻璃布替換原復(fù)合纖維布層。

斜梁后罩采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)外面板均采用了兩層復(fù)合纖維的形式。天線單元集成于蜂窩夾層，可替換原復(fù)合纖維層，為了保證強(qiáng)度，需增加多層玻璃布。

2.3 環(huán)境適應(yīng)性要求

共形天線作為直升機(jī)結(jié)構(gòu)的一部分，與其他結(jié)構(gòu)件具有相同的環(huán)境適應(yīng)性要求，包括GJB150A中規(guī)定的高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、溫度沖擊試驗(yàn)、太陽(yáng)輻射試驗(yàn)、淋雨試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)等。

2.4 功能與性能要求

V/UHF寬帶共形天線需實(shí)現(xiàn) 30~8 8 M H z、108~174MHz、224~400MHz射頻信號(hào)的收發(fā)功能。極化方式為垂直極化；電壓駐波比（帶內(nèi)）≤2.5。

為達(dá)到作用距離的使用要求，直升機(jī)V/UHF共形天線還需滿足30~88MHz的水平全向平均增益不小于-16dBi，108~174MHz的水平全向增益不小于-5dBi，224~400MHz的水平全向增益不小于-2dBi。

電壓駐波比與增益性能具有強(qiáng)耦合性，必須協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，一味地降低駐波比，將會(huì)導(dǎo)致平均增益的下降。由于載機(jī)未使用174~224MHz頻段，可以充分利用該特點(diǎn)，對(duì)天線饋電和駐波進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，將大駐波比頻段調(diào)節(jié)到174~224MHz頻段范圍。

共形天線與機(jī)體結(jié)構(gòu)一體成型，還應(yīng)滿足功率容量的要求。功率容量是指一個(gè)大功率信號(hào)持續(xù)通過(guò)天線發(fā)射時(shí)，天線體不應(yīng)出現(xiàn)打火、燒蝕等現(xiàn)象，其駐波比不應(yīng)該發(fā)生變化。V/UHF寬帶共形天線的功率容量為50W，連續(xù)發(fā)射30min。

3 一種共形天線實(shí)現(xiàn)方案

本文結(jié)合某型直升機(jī)平臺(tái)，給出了一種直升機(jī)載V/UHF寬帶共形天線的實(shí)現(xiàn)方案。

3.1 天線組成

共形天線由共形天線前段、共形天線后段、射頻電纜和匹配盒等組成。其中，共形天線前段包括斜梁前罩結(jié)構(gòu)體和天線單元?，共形天線后段包括斜梁后罩結(jié)構(gòu)體和天線單元Ⅱ，如圖5所示。

圖5 共形天線的組成

天線單元集成在共形天線前段、后段的蜂窩夾層中，采用縫隙天線結(jié)構(gòu)。首先，在蜂窩夾層中采用一層微帶線地板，替換原復(fù)合纖維層，地板的導(dǎo)體壁上開數(shù)條窄縫，可使電磁波通過(guò)縫隙向外空間輻射，形成縫隙天線。前后兩段縫隙天線單元構(gòu)成輻射單元天線陣。

無(wú)限大理想導(dǎo)電平面上的縫隙天線由外加電壓或場(chǎng)激勵(lì)，不論激勵(lì)方式如何，縫隙中的電場(chǎng)均垂直于縫的長(zhǎng)邊，并在縫的中點(diǎn)呈對(duì)稱分布。適當(dāng)選取縫隙的長(zhǎng)度和方向，可使天線陣的最大增益面為水平面。

為調(diào)節(jié)電壓駐波比，需要在天線單元和射頻信號(hào)輸入線纜之間加一個(gè)阻抗轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，將天線單元阻抗變換為射頻電纜阻抗的共軛，實(shí)現(xiàn)匹配。天線匹配網(wǎng)絡(luò)通常是由電容、電感和理想阻抗變換器組成的無(wú)耗互易二端口網(wǎng)絡(luò),輸出端與負(fù)載端有良好的匹配；輸入端反射盡可能小；網(wǎng)絡(luò)本身無(wú)耗或低耗。匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是改善天線的輸入阻抗，從而改善與饋線的匹配，同時(shí)兼顧天線的效率。

共形天線前段、后段之間采用射頻電纜連接；電臺(tái)產(chǎn)生的射頻信號(hào)也通過(guò)射頻電纜進(jìn)入匹配盒及共形天線前段、后段。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，共形天線前后段連接的射頻電纜不應(yīng)與天線單元相平行，否則將極大降低天線陣的增益水平。

共形天線設(shè)計(jì)還有一個(gè)重要環(huán)節(jié)是天線的搭接設(shè)計(jì)。良好的搭接可以有效降低天線單元的駐波比，提高天線效率。同時(shí)，良好的搭接設(shè)計(jì)還可以及時(shí)消除天線單元周圍積累的靜電荷。本文所參考的直升機(jī)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)體大量采用了復(fù)合材料，減輕重量的同時(shí)，也給共形天線的搭接帶來(lái)了困難。為了實(shí)現(xiàn)集成于斜梁蒙皮內(nèi)的天線單元的搭接，需要在蒙皮內(nèi)的復(fù)合材料鋪層中增加一條超薄銅網(wǎng)帶，以實(shí)現(xiàn)天線單元與斜梁金屬骨架的搭接。由于銅網(wǎng)帶與天線單元結(jié)構(gòu)體一體成型，為保證搭接的可靠性，還必須在兩者之間增加一個(gè)金屬鑲嵌件，鑲嵌件貫穿了兩種材料，在結(jié)構(gòu)體成型以后，金屬鑲嵌件確保了兩種材料的可靠連接。

3.2 測(cè)試方案

共形天線方案設(shè)計(jì)完成后，還需進(jìn)行實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證。傳統(tǒng)的V/UHF天線測(cè)試在暗室中進(jìn)行，并在天線底部加裝一個(gè)大的金屬板，用于模擬天線裝機(jī)后的機(jī)體金屬結(jié)構(gòu)。這種測(cè)試方案簡(jiǎn)便可行，但是與天線的實(shí)際裝機(jī)環(huán)境相差較大。其測(cè)試結(jié)果無(wú)法直接應(yīng)用于裝機(jī)后天線性能的驗(yàn)證評(píng)估。

共形天線的性能與機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)耦合，無(wú)法采用傳統(tǒng)的測(cè)試方案。針對(duì)共形天線的測(cè)試，需專門設(shè)計(jì)制造測(cè)試用直升機(jī)斜梁結(jié)構(gòu)件，最大程度貼合共形天線的實(shí)際裝機(jī)環(huán)境。由于對(duì)V/UHF頻段電磁信號(hào)輻射產(chǎn)生影響的還有尾減整流罩、平尾等結(jié)構(gòu)件，為了保證測(cè)試結(jié)果盡可能接近實(shí)際狀態(tài)，還需等比例、采用相同材質(zhì)復(fù)制以上結(jié)構(gòu)件的外形構(gòu)件，并在相同位置安裝。

圖6為駐波比測(cè)試方案，首先將共形天線前段、后段安裝到測(cè)試結(jié)構(gòu)件上，然后將被測(cè)品整體移入暗室轉(zhuǎn)臺(tái)。暗室轉(zhuǎn)臺(tái)需實(shí)現(xiàn)水平全向旋轉(zhuǎn)，并安裝夾具。暗室內(nèi)的吸波材料需滿足30~400MHz的要求。通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測(cè)，共形天線的駐波比最大為2.2。

圖6 駐波比測(cè)試方案

圖7 為天線增益測(cè)試方案，仍然需要將共形天線前段、后段安裝于結(jié)構(gòu)件上。

圖7 天線增益測(cè)試方案

被測(cè)件整體安裝在暗室轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，測(cè)試共形天線的全向增益。轉(zhuǎn)臺(tái)每旋轉(zhuǎn)1°，需記錄標(biāo)準(zhǔn)天線和共形天線接收信號(hào)水平，再經(jīng)過(guò)換算，即得出共形天線水平全向的增益情況。

圖8為功率容量測(cè)試方案，仍然需將共形天線前段、后段安裝在結(jié)構(gòu)件上。被試件整體移入暗室，使功放工作在預(yù)先選取的典型頻點(diǎn)連續(xù)工作30min，觀察共形天線不應(yīng)有物理?yè)p傷和損壞，再次測(cè)試共形天線駐波比，檢查是否發(fā)生變化。

圖8 功率容量測(cè)試方案

功率容量測(cè)試中，測(cè)試頻點(diǎn)的選擇應(yīng)參考駐波比測(cè)試的結(jié)果。大駐波比的頻點(diǎn)進(jìn)行功率容量測(cè)試時(shí)，有可能對(duì)功放造成損壞。如果天線載駐波比測(cè)試中出現(xiàn)了特別大的駐波比的頻點(diǎn)，那么該頻點(diǎn)將不滿足使用要求，天線方案需進(jìn)一步改進(jìn)再行測(cè)試。

3.3 測(cè)試結(jié)果

駐波比測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 駐波比測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，測(cè)試結(jié)果完全滿足載機(jī)對(duì)天線駐波比性能的要求，并且有較大的余量。

圖9為156MHz頻點(diǎn)，共形天線的水平全向增益。0 °方向?yàn)橹鄙龣C(jī)航向，可以看出，共形天線在156MHz頻點(diǎn)的天線增益基本滿足載機(jī)的要求；在直升機(jī)左右兩側(cè)存在增益較低的情況，由于駐波比性能指標(biāo)存在較大的余量，可以適當(dāng)調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)，提高增益水平。同時(shí)，還需進(jìn)一步優(yōu)化天線縫隙結(jié)構(gòu)，提高直升機(jī)左右兩側(cè)的增益水平。

圖9 156MHz頻點(diǎn)，共形天線的水平全向增益圖

4 結(jié)束語(yǔ)

直升機(jī)V/UHF頻段共形天線技術(shù)的研究，是直升機(jī)平臺(tái)信息化技術(shù)發(fā)展的重要組成，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文針對(duì)某型直升機(jī)平臺(tái)提出的共形天線方案，經(jīng)測(cè)試已具備了基本的裝機(jī)應(yīng)用條件，但是在天線增益方面尚有不足，還有待進(jìn)一步研究完善。

對(duì)于天線增益的影響，最重要的原因是直升機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，特別是其中的碳纖維鋪層。在后續(xù)的研究中可以考慮將縫隙天線的原理應(yīng)用于機(jī)體蒙皮的碳纖維鋪層設(shè)計(jì)，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，增添部分縫隙設(shè)計(jì)，以產(chǎn)生縫隙天線單元陣的效果，減小天線增益的不圓度指標(biāo)，從而進(jìn)一步提高共形天線的增益水平。