直升機測向天線陣裝機影響分析

芮 錫，鐘志浩，郭 晨

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

0 引言

直升機機載電子系統在現代電子偵查中的作用越來越大。準確的測向可以獲取敵方目標的位置信息，為實現精確打擊提供重要信息保障。相比地面偵查系統，直升機機載偵查設備克服了機動差、作用距離受地表限制多等劣勢。機載偵查系統具備偵查距離遠、靈活機動、控制簡易、偵查范圍廣等優點，能夠完成地面偵查設備不能完成的復雜地形條件下的遠距離偵查任務。高性能機載測向系統作為一種重要的偵查手段，可以實時靈活地掌控作戰區域范圍內的電磁態勢信息，為制定作戰方案提供有力的情報支撐；同時也可以利用直升機自身的機動性，實現高精度的時差定位，獲得敏感目標的位置信息，引導制導武器進行高效的火力打擊。

直升機機載測向系統由于受裝機條件的限制，在具體實施過程中存在很多問題，主要表現在：

1)測向天線陣的裝機適應性

測向天線陣一般包含4～6個天線單元。為了保證測向精度，天線單元之間的距離需要滿足相應的基線要求。受限于直升機平臺自身的外形、氣動等因素，測向天線陣的布局會受到很大的影響，往往不能按照理想的基線要求進行布陣。同時，由于直升機表面有大量其他設備存在，對天線形成復雜的耦合，天線單元之間的幅相一致性變差，影響測向精度。

2)測向設備的體積和重量限制

直升機受平臺的約束，對機載設備的重量、重心、裝機位置和裝機體積都有嚴格的要求。測向設備及射頻電纜鋪設都對測向鏈路的性能指標有影響。

3)測向設備受機上復雜電磁環境影響

直升機機載電子設備多，且安裝相對集中，輻射功率大，電磁頻譜復雜，對機載測向設備形成干擾，等效降低了測向接收機的靈敏度。

本文主要針對直升機測向天線陣的裝機對測向性能的影響，在超短波頻段，分析測向天線陣的裝機適應性，并針對影響因素進行優化設計，改善天線單元之間的幅相一致性，優化測向性能。

1 測向天線裝機分析

1.1 測向體制選取

受測向頻率、測向精度，直升機平臺及天線適裝性影響，直升機超短波測向一般采用干涉儀測向體制。其優點主要包括以下幾個方面。

1)天線布陣方式靈活，直升機平臺外形結構對天線布置影響較小；

2)可以采用長短基線配合的方式實現測向，保證相應的測向精度；

3)采用多通道測向，測向速度快，效率高；

4)對信道的幅相一致性要求相對較低。

實際情況中，對于超短波頻段的測向天線，由于頻率低，天線工作波長長，對基線距離要求高，直升機對超短波頻段天線布局帶來的影響較大。因此，在實際工程中需要做大量的優化布局仿真，滿足測向要求。

1.2 測向天線選取

采用干涉儀體制，需要進一步選取天線陣排布，一般機載測向陣選取圓環陣、直線陣、正交陣(如L型、T型或十字型陣)。

1)圓環陣

圓環陣是常用的布陣形式，可以360°全方位測向，優點明顯。但是該布陣方式對機載平臺布陣的面要求比較高，需要有一定面積區域來實現布陣，特別是在低頻段，受機身影響大，因此不適合直升機平臺。

2)直線陣

直線陣也是常用的布陣形式，對于大型機載平臺(如運輸機)，可以在機背或機腹頂部沿航向非均勻布陣，實現機身兩側高精度測向，但是在直線方向的測向精度較差。對于直升機平臺，機背和機腹都沒有平整區域，因此該布陣方式也很難用于機載平臺。

3)正交陣

正交陣本質上是兩條正交的直線陣組合而成，可以實現360°全方位測向功能。一般機載平臺由于裝機空間的限制，正交陣的兩條直線陣基線長度不同，在某些角度測向精度比較高，某些角度測向精度比較差。對于直升機平臺，一般機腹前部比較寬，而中后部逐漸變窄，因此可以提供較長的縱向基線，但橫向基線比較短。

本文重點分析超短波頻段測向功能對天線布陣的選取和優化。結合直升機平臺特性和全向360°測向的需求，本文選取干涉儀測向體制及T型布陣形式。天線單元間的距離如圖1所示，采用6元T型干涉儀布陣。縱向基線布置4個天線單元，基線總長為2850mm。橫向基線布置3個天線單元，基線總長為1100mm。中間天線單元(Ant5)為橫向/縱向基線共用單元。

圖1 六元T型陣布陣示意圖

天線采用布陣設計，理想情況下天線單元之間的幅度和相位具備很好的一致性，天線的測向精度主要取決于基線自身排布特性。實際工程中，受裝機影響，天線裝機后天線單元之間的幅度和相位有較大的差異，對測向性能造成影響。本文分析6元T型陣裝機后，天線單元之間的幅度和相位一致性受裝機的影響。

2 測向天線影響分析

2.1 曲面布陣對幅相一致性的影響

真實的直升機平臺不具備平整的平面，實際裝機條件為一個曲面，天線底座的高度不一致。如圖2所示，6元T型陣分別布置在平面和曲面上，分別設計為Case1和Case2。Case2曲面的天線在水平面的投影與Case1一致。分析超短波頻段(100MHz～200MHz)天線單元之間的幅度和相位一致性。遠距離條件下，信號偵查主用天線水平面方向圖。本文重點分析

θ

=90°(水平面)的方向圖。

圖2 測向天線T型陣

圖3、圖4分析了Case1和Case2在不同裝機條件下，天線單元之間的幅相一致性差異。詳細統計見表1-表4。

圖3 天線1與天線2幅度、相位差比較圖(136MHz)

圖4 天線1與天線5幅度、相位差比較圖(136MHz)

如表1-表4所示，受裝機影響，Case2天線之間的幅相一致性明顯惡化，天線陣在同一平面上更利于改善天線單元間的幅相一致性。

天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線11.121.342.901.473.59天線2-3.231.252.691.473.45天線3-4.913.743.102.133.89天線45.796.207.151.892.14天線54.394.315.29-5.532.42天線66.206.757.615.975.09最大值平均值表1 幅度差的平均值和最大值(θ=90°,Case1)(dB)天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線113.339.6813.5514.0217.92天線2-33.8111.1013.609.1413.49天線3-27.91-21.1614.639.3918.31天線4-52.3839.28-35.559.8515.75天線5-46.10-17.34-30.24-29.2813.17天線6-53.7046.1240.39-42.9044.29最大值平均值表2 相位差的平均值和最大值(θ=90°,Case1)(deg)天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線11.722.353.103.433.68天線24.012.261.682.122.09天線3-6.12-4.332.513.523.24天線46.62-3.175.831.861.83天線57.224.986.663.591.49天線66.944.976.834.72-3.75最大值平均值表3 幅度差的平均值和最大值(θ=90°,Case2)(dB)天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線117.0417.2412.0416.1817.31天線2-32.5618.4815.456.3814.77天線354.0349.9818.8416.2320.50天線429.9052.2139.5713.3716.58天線5-31.6719.91-32.03-45.4111.11天線634.2260.3837.86-44.9453.34最大值平均值表4 相位差的平均值和最大值(θ=90°,Case2)(deg)

2.2 遮擋物對幅相一致性的影響

真實的直升機平臺有多個外掛物，天線陣各個單元很難尋找到遠離遮擋物的區域。如圖5所示，在Case2的基礎上，天線1和天線2之間有三個外掛設備為遮擋物，設計為Case3，其他條件不變。

圖5 測向天線T型陣

圖6、圖7分析了Case2和Case3在不同裝機條件下，天線單元之間的幅相一致性差異。詳細統計表見表5、表6。

圖6 天線1與天線2幅度、相位差比較圖(136MHz)

圖7 天線1與天線5幅度、相位差比較圖(136MHz)

天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線12.784.464.524.144.75天線2-7.064.302.522.683.20天線3-13.90-7.462.924.043.64天線4-13.95-6.899.101.932.13天線5-11.016.527.76-4.991.62天線6-13.167.299.666.84-4.88最大值平均值表5 幅度差的平均值和最大值(θ=90°,Case3)(dB)天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線130.8131.4623.6828.7427.78天線271.7733.9424.9317.6222.50天線389.8167.3525.4123.0928.07天線453.4055.49-48.2613.4717.08天線5-49.57-28.83-42.67-54.8212.11天線655.2757.21-50.21-58.3962.87最大值平均值表6 相位差的平均值和最大值(θ=90°,Case3)(deg)

如表5、表6所示，受裝機遮擋物影響，Case3天線1與其他天線之間的幅相一致性明顯惡化，天線陣布置在相對空曠區域更利于改善天線單元間的幅相一致性。

2.3 天線一致性對幅相一致性的影響

真實的直升機天線裝機時，受裝機約束，腹部距離地面近的區域，對天線高度要求嚴格，導致天線存在一致性差異。如圖8所示，在Case3的基礎上，天線1和天線2的高度與其他4個天線不一致，設計為Case4，其他條件不變。

圖8 測向天線T型陣

如圖9和圖10所示，分析了Case3和Case4在不同裝機條件下，天線單元之間的幅相一致性差異。詳細統計表見表7、表8。

圖9 天線1與天線2幅度、相位差比較圖(136MHz)

圖10 天線1與天線5幅度、相位差比較圖(136MHz)

天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線13.355.625.964.815.72天線2-17.814.473.612.863.81天線3-25.4310.133.944.353.70天線4-24.97-7.4612.281.942.30天線5-21.156.16-7.59-7.822.03天線6-25.73-9.3611.48-9.715.55最大值平均值表7 幅度差的平均值和最大值(θ=90°,Case4)(dB)天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線140.1036.2723.3427.5134.11天線2109.6415.9130.3229.5837.26天線3110.1739.2528.1325.5534.77天線460.7063.24-66.2715.2428.97天線550.36-59.35-67.24-54.8417.42天線6-68.1979.77-63.95-72.3873.33最大值平均值表8 相位差的平均值和最大值(θ=90°,Case4)(deg)

如表7、表8所示，受天線一致性影響，Case4天線1和天線2與其他天線之間的幅相一致性明顯惡化，天線陣單元的一致性更利于改善天線單元間的幅相一致性。

3 結 論

干涉儀測向是一種具有較高測量精度的測向方法，廣泛應用于機載無源探測系統。由于裝機后機體和天線相互作用，天線的電性能參數變化較大。本文分析了直升機平臺特性對6元T型測向天線陣性能的影響，通過對天線單元之間的幅度一致性和相位一致性的分析，建議在實際工程中：

1)采用統型天線，并且針對不同安裝位置進行幅度和相位補償設計，保證天線一致性；

2)布局在遮擋物少的區域，降低天線與平臺之間的相互遮擋影響；

3)布局在相對平坦的區域，減少天線安裝面高度差對天線的影響。

通過上述措施，改善了天線單元間的幅相一致性，提高了信號測向能力。