VHF频段共形天线在直升机上的设计及仿真

肖健

摘 要：为解决直升机上VHF频段常用的凸起型单体天线长度长、易断裂、突出于机身等问题，本文提出了一种适用于直升机上的VHF频段共形天线设计，将天线辐射体及阻抗匹配器等嵌入在直升机垂尾后缘罩内，在不降低VHF频段天线电性能指标同时，能有效提高天线的可靠性。采用HFSS软件对其进行了仿真，结果表明：共形天线在30MHz～88MHz的频率范围内驻波比均低于3.5，有着良好的谐振性能，工作频带内天线增益稳定，能够满足直升机在VHF频段通信的天线要求。

关键词：VHF频段；共形天线；驻波比；阻抗补偿

中图分类号：TN820 文献标识码：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

天线在现代直升机上应用十分广泛，如直升机上的通信、导航、敌我识别、电子战、雷达等设备都离不开天线，一架直升机上通常情况下有20多种天线，多的可达到60多种，这些天线只有极少部分安装在机身内部，绝大多数都突出在機身外部。为了在机身内部安装天线，需要配套天线罩，天线罩要突出机身，形成鼓包，突出在机身外部的天线多为凸起型单体天线或刀型天线或鞭状天线。直升机上的这些传统的天线，无论是装在飞机内部，还是装在飞机外部，都对直升机的气动特性有不利的影响，还会增大飞机的RCS，从改善直升机的气动外形和降低RCS角度出发，对传统的天线加以改进，其中共形天线改进方向之一。

共形天线是一种特殊形式的天线，它的特殊之处就在于其形状与传统天线不同，传统天线的形状取决于天线的电性能要求，而共形天线的形状既要满足天线的电性能要求，还要兼顾直升机的气动特性。根据美国电气和电子工程师学会的定义（IEEE Stdl45—1993），共形天线指同某一表面共形的天线或阵列，该表面的外形不是由电磁因素，而是由诸如空气动力或水力等因素确定的。共形天线具有低剖面的特点，可以安装在飞机表面而不增加风阻，有助于提高飞行器的气动性能，降低RCS。

我国在八十年代曾经引进美国黑鹰直升机，其超短波上天线采用了嵌入式共形天线的设计理念，至今黑鹰直升机在国内使用良好，且共形天线设计技术成熟可靠，具有低剖面重量轻、易集成等优点，有利于提高直升机的气动性能，相对于国内，技术理念比较落伍，而现代直升机逐步追求隐身化、高速化，气动布局和外形显得至关重要，要求机载天线不外露，共形天线在现代直升机上的设计应用趋之若鹜，鉴于此，本文基于微波和电磁场传输理论，提出了采用曲面共形天线形式，将天线辐射体与直升机垂尾前后缘罩进行共形设计，天线与机体结构融为一体，有效解决了直升机上VHF频段常用的凸起型单体天线重量大、易断裂、突出于机身影响直升机气动性能等问题。

1.共形天线模型设计

针对现役直升机VHF频段单体天线的使用情况进行分析，利用直升机斜后梁外罩作为天线载体，在部件内侧安装天线阻抗匹配部分，构成完整共形天线，其由机体蒙皮外罩、填充蜂窝、天线辐射体、天线阻抗匹配盒等部分组成，如图1、图2、图3所示。

1.1单元微带天线设计

为了实现全向天线共形，根据电磁场电磁感应定律，使用变形振子天线与机体结构共形。使用一个金属板或金属片代替普通单极子的天线杆以修正其结构，形成了相对带宽较宽的矩形单极子，为进一步减小天线的尺寸，同时与机体进行共形设计，对矩形单极子天线进行折合变形，通过调整折合矩形单极子的长宽比，降低振子的长细比l/a得到较大的截面，获得更平滑的增益曲线以及良好的阻抗带宽，进而对天线进行集中加载以提高天线辐射电阻及辐射效率，变形振子天线截面构成的平面天线与矩形单极子具有相同的良好性能，能够实现变形振子天线在VHF频段具有良好的阻抗带宽和辐射效率。

1.2馈电网络设计

对于共形天线而言，当波束扫描到某一方向时，并不是所有天线单元都对主波束有贡献，为避免增加副瓣电平和降低天线效率，必须断开或者改善对主波束无贡献的单元激励，根据变形振子天线的基本原理，采用共面波导（CPW）馈电形式，其具有辐射损耗小、色散低、易与其他元器件实现串并连接，提高电路集成度等优点。为获得50Ω的特性阻抗，共面波导导带宽度3.6mm，缝隙的宽度0.2mm，通过在折叠缝隙单元中加载相位槽，采用无耗匹配网络加载，对阻抗进行补偿，加载后天线不仅具有良好的阻抗带宽和辐射特性，而且增大了电流有效路径，大大降低了天线的整体尺寸，进一步改善天线低频端的驻波特性，解决了天线单元阻抗不匹配问题。endprint

1.3雷电防护设计

共形天线是非金属材料和金属材料的组合体，其外表不再配置传统的天线罩，外形结构中采用无尖锐的金属结构，所有边界部分均采取倒圆角和圆弧面处理，无小开口或缝隙、容积大的容腔结构，腔体部分采用蜂窝材料填充，暴露在外空间环境的材料使用绝缘性能良好的复合材料，整体设计时不使用敏感电子元器件，天线性能不受静电及雷击的影响，在结构上增大金属辐射体横截面，减少电流聚集。

1.4共形天线结构设计

采用曲面共形天线形式，共形天线结构如图1所示，将天线辐射体与直升机垂尾后缘罩进行共形设计，如图2所示，通过最大限度的利用直升机垂尾后缘罩蒙皮，较好的解决天线在VHF频段天线物理尺寸受限的问题。天线辐射体采用镶套连接的方式，各电缆焊接焊片，用螺钉螺装在镶套上，来实现匹配电路及馈线连接，如图3所示。

由于天线辐射体直接与直升机垂尾后缘罩蒙皮共形，不需要在机身上开孔，在辐射和接受电磁能量的同时，能够承受较高的动力载荷。

2.性能仿真分析

运用Ansoft HFSS软件对VHF频段共形天线进行了建模和仿真，仿真过程中不断调节各项参数以优化天线带宽性能，实现较为理想的设计目标，使用Advanced Design System 2009软件设计阻抗匹配网络，进行多次仿真和不断优化，实现阻抗匹配，图4是运用HFSS软件构建的共形天线结构模型。

图5给出了共形天线的S11下的驻波比仿真结果，可以看出共形天线在30MHz～88MHz的频率范围内驻波比均低于3.5，在73 MHz处驻波比达到1.65，很明显，采用的共面设计技术能够得到较好的驻波比，共形天线能很好地满足直升机VHF频段的通信需求。

一个天线性能的好坏，不仅取决于它的频带特性，在很多情况下，辐射方向图也显得特别重要，特别是对于这种航空无线电通信场合来说，天线辐射特性（包括增益和方向性）的要求较为严格。对共形天线的辐射特性进行了仿真，图6～图12分别给出f=30MHz、40MHz、50MHz、60MHz、70MHz、80MHz、88MHz时共形天线的三维方向图和垂直面方向图。

从共形天线的三维方向图和垂直面方向图中可以很明显看出，整个30MHz～88MHz工作频段内共形天线在垂直面保持全向辐射，具有良好的辐射特性和较高的增益，尽管在较低频率时波瓣较为畸变，然而随着频率的增加，天线方向图不圆度指标越来越好，辐射性能满足机载通信系统的要求，与现役30MHz～88MHz频段的杆状天线比对，共形天线的增益平均值高出0.5dB左右，可以较为有效提升机载30MHz～88MHz频段天线的通信性能。

结语

VHF频段共形天线在国内直升机上的应用较少，本文初步设计了一种单元曲面共形微带天线，并在其基础上加以阻抗网络匹配技术，使之内置于直升机垂尾后缘罩表面，可以减少直升机飞行的空气阻力，仿真结果表明：共形天线在30MHz～88MHz的频率范围内驻波比均低于3.5，在73 MHz处驻波比低于1.65，有着良好的阻抗带宽、圆极化带宽和谐振性能，在工作频带内增益稳定，天线方向图不圆度整体较好，基本满足直升机在VHF频段通信的天线要求，在不降低30MHz～88MHz频段天线电性能指标的前提下，采用与机体结构共形设计，能够有效提高天线的可靠性。

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