民用飛機甚高頻通信天線設計

郭 磊 宋金澤 /

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

VHF通信天線是無線電通信必不可少的組成部分，不但輻射和接收電磁波，同時也是一個能量轉換器，是電路與空間的界面設備。天線發射時將電路中攜帶信息的能量轉換為電磁場能量，以電磁波的形式向空間輻射；在接收時，空間中傳來的攜帶信息的電磁波在天線中感應出電流，電磁場能量轉換為電能。一方面，VHF通信天線安裝在機身蒙皮上，天線的布置位置、電搭接是否良好、周圍設備的電磁環境等都可能影響天線的傳輸性能；另一方面，天線自身的物理特性(如形狀、重量等)、結構強度、固定方式等都可能影響飛機的氣動、操穩性能。因此，VHF通信天線設計必須使得天線的性能滿足民用飛機這一特殊載體，同時要對機體影響有限且可控。隨著安裝在飛機上的機載電子設備越來越多，機上空間有限、電磁兼容等問題越來越突出[1]，如何設計符合VHF通信系統性能要求的天線，是天線系統研制的難點和關鍵技術，也是目前亟待解決的問題。

1 VHF通信系統簡介

VHF通信屬于視距通信，工作頻率為118.000 MHz～136.975 MHz，有25 kHz和8.33 kHz兩種頻率間隔，通信方式為半雙工信道，通信距離通常為30 km～300 km，可提供塔臺、進近、航站自動情報服務、航務管理等服務。為保證VHF通信的高度可靠，CCAR25 R4[2]第25.1307(d)條要求“兩套雙向無線電通信系統，每套系統的控制裝置可在每個駕駛員的工作位置進行操作，其設計和安裝需保證一套系統失效時不影響另一套系統工作。允許使用公共的天線系統，只要表明使用后仍具有足夠的可靠性”。民用飛機上一般都裝有2～3 套VHF通信系統，系統主要由收發機、天線及與之交聯的調諧控制板和音頻控制板組成。

VHF通信天線一般為垂直極化，可全向接收和發射，通過天線底座周圍的緊固件安裝在機身蒙皮上，可使用加強件加固，如圖1所示。天線的輸入阻抗通常為50 Ω，與VHF收發機發射電路的阻抗相匹配，并通過同軸電纜與VHF收發機組件相連，同軸電纜的電壓駐波比一般不超過2∶1，且連接處有“O”形密封圈密封。VHF通信天線外部結構由玻璃鋼構成“刀”型，以減少氣流阻力，內部結構有兩個嵌在底座上的輻射電磁波的鑄鋼導體，其余內部空間由蜂窩狀填充物填充。通常VHF通信天線的MTBF(mean time between failures，平均故障間隔時間，簡稱MTBF) 應大于30 000 h。

圖1 VHF通信天線外部結構

2 VHF通信天線設計要求

VHF通信天線的設計，既要不降低天線正常工作的要求，又要兼顧天線自身的電性能、氣動、機械以及對其它天線的影響等各方面。VHF通信天線設計要求，簡要歸納如下：

1)天線選擇原則

天線使用的材料、零部件和工藝都應滿足規定。HB/Z 86-85[3]規定了天線外部結構的所有材料應經受各種液體綜合浸漬而不會發生永久性電氣和機械性損傷。

2)總體布置設計原則

(1) 盡量減小對飛機結構及其它系統的影響；

(2) 盡量不影響外部標記；

(3) 盡量減小因天線安裝導致的增重；

(4) 不影響地勤維護、貨物裝卸；

(5) 避免影響已完成的驗證試驗項目。

3)氣動干擾影響

(1) 應避免將天線布置于其它外部突出物后部，減少相互之間氣動力影響，避免天線受到復雜氣流的干擾；

(2) GJB 5035-2001[4]中3.6.3規定：設計天線的外形時，使其在飛機上安裝使用所引起的氣動阻力盡可能小。

4)結構安裝要求

(1) 應避免將天線布置于蒙皮化銑區域；

(2) 為減少極化損失，應盡量將天線布置于機身等直段對稱中心線或附近；

(3)天線與所有金屬零件之間有意設計配合的導電表面，應清除材料表面的氧化膜、油層、漆或其他高阻薄膜。

5)電磁兼容要求

(1) VHF通信天線與其它天線之間的隔離度應足夠高以避免同頻干擾；

(2) 對于系統間同頻干擾，不僅要考慮系統間的帶內干擾，還要考慮系統間的帶外干擾；

(3) 不僅要考慮基波干擾，還要考慮諧波干擾、由于信號間互調與交調引起的雜波干擾以及可能的寬帶干擾。

6)特殊風險要求

應避免將天線布置于轉子爆破、輪胎爆破等特殊風險影響區域。

3 VHF通信天線設計的工程實例

下面以某型號工程實例來闡述VHF通信天線的設計過程。

3.1 天線的選擇

不同的VHF通信天線都具有相似的電性能指標，通過相同的環境鑒定試驗，但仍需注意不同的天線在制造工藝方面的差異：

1) 應盡量選擇VHF通信天線鰭到底座過渡光滑的天線，減少結構應力，某型天線的橫向結構剖面圖如圖2所示；

圖2 VHF通信天線橫向結構剖面圖

2) 應選擇鑄造工藝良好的VHF通信天線，避免內部氣泡過多降低天線強度。

另外，VHF通信天線還應滿足DO 160的環境鑒定試驗，表1給出了某型VHF通信天線DO 160 E環境鑒定試驗結果。

表1 某型VHF通信天線DO 160 E環境鑒定試驗結果

3.2 天線的布置

VHF通信天線的布置可采用光學方法，電磁波和光的效應是一樣的，即天線若在物理上有可見的遮擋，那么對信號的傳輸就會有影響，如折射、反射、干擾和繞射等。VHF通信天線一般在機身上方和下方都要求至少安裝一套，以滿足信號全方位良好覆蓋的要求。圖3給出了常見機型VHF通信天線的布置。天線的布置應避開聚集水和其它液體的位置。此外，應避免因飛沙、碎石、泥土、雪等起飛或著陸時揚起而引起物理上的損壞。

(a)波音737中VHF通信天線布置

(b)波音777中VHF通信天線布置

(c)A300中VHF通信天線布置

(d)A330中VHF通信天線布置

(e)A340中VHF通信天線布置

(f)ERJ190中VHF通信天線布置圖3 常見機型VHF通信天線的布置

VHF通信天線布置的位置應滿足結構要求。GJB 5035-2001中的3.7.4條與GJB 2746-96[5]中的3.3.3條規定：天線應能承受規定的環境條件下的臨界最大極限載荷(極限載荷為設計載荷的1.5倍)。根據供應商提供的VHF通信天線的三維數模，需分析計算出天線需要承受的最大側向載荷(垂直于天線剖面的最大啟動力，單位為N，載荷分布情況為均勻分布)。將計算出的最大側向載荷數據與VHF通信天線設計指標對比，確保VHF通信天線強度滿足要求。另外，此側向載荷數據還將用于設計機身蒙皮下方的天線底座加強件。

VHF通信天線的布置應與外部輻射源及其它分系統、發動機、起落架等保持足夠的距離。機載電子設備可能因有寄生輻射、輻射能量的屏蔽、分系統阻抗的改變、諧振或反諧振而導致天線不能正常工作。另外，VHF通信天線的布置還應考慮地面遮擋的影響。機組人員在航線運營中使用第一套VHF通信系統進行ATC(air traffic control，空中交通管制，簡稱ATC)通信，若第一套VHF通信天線布置在機腹下，則存在通信被遮擋的可能。早期波音737飛機上就發生過此種情況，波音公司曾在2004年發出服務通告(編號：SHA-25R1)建議在地面使用機身上方的VHF通信天線作為地面的主ATC通信，后續波音737機型對VHF通信天線的布置進行了調整(如圖3)：機身下方天線連接第二套VHF收發機，機身上方天線連接第一套VHF收發機。

下面以某型飛機VHF通信天線布置(圖4中1～4區)為例分析。VHF通信需要與地面塔臺進行可靠的雙向通信，VHF通信天線一般為單極子、垂直化天線，要求對機身上部空間和下部空間都要有良好的覆蓋。初步考慮將第一、二套VHF通信天線分布機身上下(如圖4中所示1區和2區)，第三套VHF通信天線有3區和4區可選。3區靠近垂尾的區域由于垂尾遮擋，將導致該區域方向圖發生畸變。4區安裝天線擦地風險較大：著陸時很可能損壞天線，且該位置有很多口蓋，故建議將第三套天線布置在3區遠離垂尾區域。此時機身上方的兩套天線同側，要避免兩者距離過近及被垂尾遮擋。

圖4 某型號飛機VHF通信天線的布置分析

3.3 天線的方向圖及隔離度仿真分析

方向圖是衡量天線傳輸有用信號效能的重要指標。當天線安裝到機體上后，由于散射、輻射源的互耦作用，天線輻射方向圖可能會畸變，則此處通信效果較差。VHF通信天線一種常見形式是由帶狀線并聯諧振電路和加感線圈的彎曲單極天線構成，天線高度小于1/8波長。為避免天線方向圖在滾轉面內的傾斜，天線一般都垂直安裝在飛機的中心線上。VHF通信天線的輻射方向圖在方位上必須是全方向性的，且最弱方位的零值深度不得超過20 dB。對單個天線來說，最強的輻射區域應在飛機下方相對水平面45°的范圍內；對成對的天線來說，應在相對水平面±45°范圍(飛機的機身軸線即在這個水平面內)內。另外，對飛機兩側方向圖的覆蓋同前后方向覆蓋一樣重要。當方向圖覆蓋范圍對上下都有要求時，應優先考慮飛機下方的覆蓋范圍。

VHF通信天線方向圖仿真分析首先要建立一個全機的表面模型，這是因為VHF通信天線工作的頻率為118 MHz～156 MHz，而對材料為鋁或碳纖維材料的機身，VHF通信天線的輻射場只會在機體材料的表面激起一層很薄的感應電流。通常使用CATIA軟件建立一個全機的三維模型，對建立的內部可能存在大量縫隙和交疊面的全機三維模型進行修復和重建，去除其中的縫隙和交疊面，建立一個適用于電磁場仿真計算的三維幾何表面網格模型。然后對該模型進行典型的VHF通信天線站位劃分，再采用FEKO軟件計算這些站位上VHF通信天線的輻射特性，最終可得三個主平面上VHF通信天線的方向圖。

(1)

采用FEKO對不同站位上VHF通信天線兩兩間的參數進行掃頻計算，并由式(1)可得VHF通信天線兩兩間隔離度的頻響特性，則其中隔離度值較小的站位，VHF通信天線間的同頻干擾較小，可作為天線預布置的選擇位置。

3.4 天線的安裝及功能驗證

VHF通信天線安裝位置確定后，應按照工藝規范規定的螺栓定力安裝天線，天線可以通過與表面處理過的機身蒙皮直接接觸進行搭接，同時也可以通過安裝螺釘以及導電密封膠與機身蒙皮進行搭接，以滿足天線射頻搭接要求。在大多數情況下，為防止機載電子系統雷擊，天線的接地十分必要。經驗表明，一般天線的接地電阻應不超過0.5 mΩ。HB5876-85[6]規定，應盡可能避免將天線布置在艙門、口蓋、蒙皮間斷部位和其它不規則的機體附近。需要注意的是，飛機表面一般為帶有弧度的曲面，而天線底座一般為平底，在安裝時底座和蒙皮會有彎曲形變。為避免應力集中，有的機型需要將安裝處的蒙皮進行平整化，或直接露出蒙皮開口的天線加強件，如圖5所示。

圖5 某型號飛機蒙皮表面與平底天線底座落差示意圖

為驗證VHF通信天線在飛機與飛機、飛機與地面雙向通信功能正常，通常要對VHF通信系統進行機上功能試驗。有條件的情況下可以與地面塔臺進行VHF通信；條件不允許時，可考慮使用便攜式的VHF航空電臺和手持Mic與飛機進行VHF通信，以檢測VHF通信天線設計的正確性，如圖6所示。

(a)VHF航空電臺

(b)手持Mic圖6 某型號VHF航空電臺及手持Mic

4 結論

民用飛機VHF通信天線的設計既要考慮天線本身的技術性能要求，又要盡量減少對飛機結構的影響，減少飛機額外增加的氣動阻力和結構件的載荷，還要考慮維護性、安全性、可接近性等諸多因素，是一個綜合設計的過程。民用飛機是一個VHF通信天線安裝的特殊載體平臺，隨著大量的天線布置在有限的機體上，且工作頻段相互重疊，電磁環境更加惡劣，如何采取有效的方法對VHF通信天線進行設計，將具有廣泛的應用前景和重要的應用價值。