一种机载短波天线的设计

沙永胜

【摘要】本文对常见机载短波天线进行了归纳分析，并提出了一种机载短波天线的实现方法，分析了其工作原理，给出了设计参数和实测结果。采用基于有限元法的仿真软件Ansoft HFSS对天线进行建模、仿真优化，最后确定了天线的尺寸。并给出了天线的远场辐射方向图，结果表明天线具有良好的电性能特性。

【关键词】机载 短波 天线

随着战场信息化技术的发展，机载超短波通信已不仅仅是语音通信，还有数据传输和图像传输的要求。因此，对短波天线的性能要求就越来越高。

机载短波电台使用的天线的重要特性是工作波长在lOm～lOOm，因此，其设计和安装需要考虑飞机的布局、绝缘设计和防干扰设计。典型天线和特性总结如下。

（1）线状天线：又称钢索天线，一般安装在飞机背鳍部位和飞机尾部之间。天线主要类型有r型、T型及倾斜式三种，而后者是较为普遍采用的一种。在低速飞机上至今还在使用钢索天线，如国产的Y7飞机与H6飞机上，它们是无桅杆的倾斜天线。

线状天线的缺点就是安装在飞机外部，风阻比较大，易于受损，而且天线易变性导致天线参数和使用频段发生偏差，降低天线的效率和可靠性。优点是易于根据飞机的设计进行改造安装。

（2）探针天线：探针天线的水平长度为2m～3m，安装在飞机的机翼或者尾翼的边缘。该天线的特性接近1/4波长天线，安装时需要在机翼的连接处使用避雷措施以保护馈点和连接器。

探针天线优点可以灵活的安装在飞机多个部位，天线增益系数较高，可靠性高，在HF频段有比较理想的阻抗特性。天线不足之处是易于受到飞机机翼和尾翼振动和温度变化的影响，而且贴近机身，阻抗特性容易受到影响。

（3）顶端天线：HF顶端天线是一种安装在机翼或尾翼的流线型天线，与探针天线具有相似的电特性，但是性能低于1/4波长天线。由于没有尖端，其遭受雷击的概率比探针天线稍低。

顶端天线的优点是不受外部风阻影响，可靠性高，天线辐射方向图均匀。天线缺点是包裹在机翼内部，成本较高。

（4）分流天线：分流天线与凹槽天线和顶端天线类似，不同之处在于安装使用了绝缘材料代替了金属部分。在机翼的顶端或尾端安装分流天线，其特性与1/4波长负反馈天线类似，天线长度小于波长的1/2。

分流天线的优点是受风阻影响小，可靠性高，且天线方向图均匀，缺点是成本较高。

（5）凹槽天线：凹槽天线通常是切割成槽口状，安装在机身、尾翼、水平翼的下端。天线特性与分流天线类似。

一、“盲区”问题概述

短波通过地波和天波两种途径传播。地波传播由于地面吸收导致电磁波传播距离20km左右就衰耗殆尽了。而天波传播，因为天线有辐射角，电波经电离层反射回到地面，造成有一段区间内，地波和天波都覆盖不到，就形成短波通信的静区，也称为盲区。

在空域通信中，天线辐射波由直射波和天波组成，直射波由于散射损耗，通信距离受限;而天波传输的第一跳由于飞机升空，入射角相比地面通信更大，反射角更大，导致通信盲区现象更为严重

二、“盲区”问题的解决方法

要缩小短波通信的“盲区”范围，实现无盲区通信有两种方法：

（1）尽量延长短波地波的传播距离;

（2）尽量缩短短波天波第一跳折回地面的距离。

由于地波传播损耗较大，因此要延长短波地波传播通信距离，通常是增大电台发射功率，或是采用定向高增益短波天线，但这两种方式在实际使用中都有其局限性。因此要解决盲区通信就只有使短波天波传播的第一跳落地距离接近为零，这个解决方案就是NVIS技术。

NVIS就是近垂直入射天波传播的英文缩写，它通过使用高仰角天线来缩短天波第一跳落地的距离，其中仰角是指天线辐射波瓣与地面之间的夹角。仰角越高，电波第一跳落地的距离越短，盲区越少，当仰角足够大时，短波传播信号接近于垂直辐射，由电离层返回地面的短波信号正好可以覆盖整个跳跃区，盲区基本消失。

三、天线的仿真设计

利用Ansoft HFSS仿真软件对天线进行建模、仿真，计算天线的方向图和增益曲线并进行天线参数优化。仿真模型如图1所示：

天线结构采用双V形式，总体长度为4.2m，夹角为650。

四、仿真结果

天线工作频率在1.6MHz～30 MHz时，增益-1.8dB—3.9dB，以频率15MHz为例，对天线进行分析。

在工作频率为15MHz时，天线3D方向图、水平面方向图及垂直面方向图分别如图所示。

如图2所示，在工作频率为15MHz时，天线最大增益为3.9dB。

图3 f=15MHz处天线水平面方向图

图4 f=15MHz处天线垂直面方向图

如图3所示，在工作频率为15MHz，Theta=90。时，天线水平面最大增益为3.3dB（如ml点所示），半功率波瓣宽度为87。（如m2，m3点所示），后瓣最大增益为2.3dB（如m4点所示）。

如图4所示，在工作频率为15MHz，Phi=0。时，天线垂直面最大增益为3.8dB（如ml点所示），最小增益为-0.3dB（如m2点所示）。垂直面（Theta=90。）辐射呈全向性，不圆度为4.ldB。

五、结论

本文对常见机载短波天线进行了归纳分析，并提出了一种机载短波天线的实现方法，采用基于有限元法的仿真软件Ansoft HFSS对天线进行建模、仿真优化，最后确定了天线的尺寸。并给出了天线的远场辐射方向图，结果表明天线具有良好的电性能特性。

参 考 文 献[1]林昌禄主编，《天线工程手册》，北京：电子工业出版社，2002[2]梁福生，王广学编著.《飞机天线工程手册》.中国民航出版社，1997[3]毛康侯，方振民编著，《飞行器天线工程设计指南》.国防工业出版社，1995