直升机载V/UHF宽带共形天线研究

张 伟

（中国直升机设计研究所，景德镇 333001）

随着我军信息化作战体系的逐步建立，在信息化作战条件下，对直升机平台的要求也逐步提高，直升机上安装的通信天线日益增多。为减少天线对载机气动特性的不利影响，有必要研制直升机载V/UHF宽带共形天线。共形天线的研究必须基于载机的外形特征及其表面材料属性，在保证电性能的同时，还要满足载机外形、强度、环境条件等要求。

1 概述

共形天线是指与给定外形共形的一类天线。直升机载共形天线即将天线辐射单元嵌入或者集成在直升机光滑曲面表面。

从共形载体的结构看，共形天线可分为平面共形和曲面共形等2种。平面共形的全向天线一般是指垂直极化的天线，而曲面共形的全向天线是指在垂直于其对称轴的平面内形成近似全向的增益方向图的天线。

共形天线的核心是天线单元。天线单元目前研究较多的有微带天线结构（如图1所示）、缝隙天线结构（如图2所示）等。

图1 微带天线结构

图2 缝隙天线结构

微带天线由接地平面、介质基片和微带单元组成；飞行器的金属表皮是微带天线天然的接地平面，将具有一定形状的印刷电路板与飞行器表皮复合在一起，就构成微带天线。常规微带天线的带宽很窄，利用多层微带结构、增加基板厚度和改变馈电激励方式等，微带天线的带宽可增大至30%。

缝隙天线是在导电平面上开长方形缝隙，有横向单元开槽、纵向单元开槽和斜向开槽3种类型；适当选择缝隙的形状、开槽方向和相对位置，可产生不同形状的天线方向图。如果把裂缝波导做在飞行器外表面，或者把其放置在表皮中相应缝隙的外面，就形成共形天线阵列。在工程应用中，在缝隙的表面填充介质材料，以满足承载及环境适应性等要求。飞行器缝隙天线的主要缺点是带宽较窄，通常只有5%左右。

直升机平台具有机身较小、各类天线相对集中的特点，宜采用曲面共形缝隙天线的形式。以黑鹰直升机为例，其斜梁后罩共形设计用30~88MHz的天线代替原杆状天线，不仅减少了对气动性能的影响，也避免了杆状天线折断带来的风险。参考外军经验，为了实现直升机载V/UHF宽带共形天线水平全向的增益要求，可以选用直升机斜梁前整流罩和斜梁后罩共形设计，前后两段缝隙结构配合，可以实现水平全向增益要求。同时，直升机斜梁高度在旋翼上方，可以避免旋翼的遮挡。

2 机载共形天线的要求

直升机载平台对V/UHF频段宽带共形天线有多项限制要求，分别是外形要求、强度要求、环境适应性要求、功能与性能要求。

2.1 外形要求

为了满足直升机气动特性的要求，天线单元集成于斜梁前罩和后罩的蒙皮内，其外形尺寸受到斜梁前/后罩蒙皮的尺寸限制。

图3和图4是某型直升机平台的斜梁前罩和后罩的典型外形特征，都呈不规则的拱形，其中前罩长度约为1567mm，宽度为190mm；斜梁后罩长度约为1753mm，宽度约为112mm。特别是斜梁前/后罩实际上与水平面呈45°夹角，天线单元集成于蒙皮内，也与水平面呈45°夹角，需通过前/后罩天线缝隙的配合设计，实现共形天线最大增益能够集中在载机水平面上。

图3 斜梁前罩外形

图4 斜梁后罩外形

2.2 强度要求

共形天线集成于蒙皮内部，应不改变原蒙皮的强度。

斜梁前罩采用蜂窝夹层结构，为了最大限度地减重，其内外面板均采用了一层复合纤维加一层碳布的形式。复合纤维虽然具有重量轻、韧性好、强度及弹性模量高等优点，但是，也具有易吸湿的缺点。碳纤维虽然具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀等一系列优点，但其透波性较差。

天线单元集成于蜂窝夹层，可替换原碳布层，为了保证强度，需用多层玻璃布替换原复合纤维布层。

斜梁后罩采用蜂窝夹层结构，其内外面板均采用了两层复合纤维的形式。天线单元集成于蜂窝夹层，可替换原复合纤维层，为了保证强度，需增加多层玻璃布。

2.3 环境适应性要求

共形天线作为直升机结构的一部分，与其他结构件具有相同的环境适应性要求，包括GJB150A中规定的高温试验、低温试验、温度冲击试验、太阳辐射试验、淋雨试验、振动试验等。

2.4 功能与性能要求

V/UHF宽带共形天线需实现 30~8 8 M H z、108~174MHz、224~400MHz射频信号的收发功能。极化方式为垂直极化；电压驻波比（带内）≤2.5。

为达到作用距离的使用要求，直升机V/UHF共形天线还需满足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。

电压驻波比与增益性能具有强耦合性，必须协调设计，一味地降低驻波比，将会导致平均增益的下降。由于载机未使用174~224MHz频段，可以充分利用该特点，对天线馈电和驻波进行匹配设计，将大驻波比频段调节到174~224MHz频段范围。

共形天线与机体结构一体成型，还应满足功率容量的要求。功率容量是指一个大功率信号持续通过天线发射时，天线体不应出现打火、烧蚀等现象，其驻波比不应该发生变化。V/UHF宽带共形天线的功率容量为50W，连续发射30min。

3 一种共形天线实现方案

本文结合某型直升机平台，给出了一种直升机载V/UHF宽带共形天线的实现方案。

3.1 天线组成

共形天线由共形天线前段、共形天线后段、射频电缆和匹配盒等组成。其中，共形天线前段包括斜梁前罩结构体和天线单元І，共形天线后段包括斜梁后罩结构体和天线单元Ⅱ，如图5所示。

图5 共形天线的组成

天线单元集成在共形天线前段、后段的蜂窝夹层中，采用缝隙天线结构。首先，在蜂窝夹层中采用一层微带线地板，替换原复合纤维层，地板的导体壁上开数条窄缝，可使电磁波通过缝隙向外空间辐射，形成缝隙天线。前后两段缝隙天线单元构成辐射单元天线阵。

无限大理想导电平面上的缝隙天线由外加电压或场激励，不论激励方式如何，缝隙中的电场均垂直于缝的长边，并在缝的中点呈对称分布。适当选取缝隙的长度和方向，可使天线阵的最大增益面为水平面。

为调节电压驻波比，需要在天线单元和射频信号输入线缆之间加一个阻抗转换网络，将天线单元阻抗变换为射频电缆阻抗的共轭，实现匹配。天线匹配网络通常是由电容、电感和理想阻抗变换器组成的无耗互易二端口网络,输出端与负载端有良好的匹配；输入端反射尽可能小；网络本身无耗或低耗。匹配网络的作用是改善天线的输入阻抗，从而改善与馈线的匹配，同时兼顾天线的效率。

共形天线前段、后段之间采用射频电缆连接；电台产生的射频信号也通过射频电缆进入匹配盒及共形天线前段、后段。通过实际测试，共形天线前后段连接的射频电缆不应与天线单元相平行，否则将极大降低天线阵的增益水平。

共形天线设计还有一个重要环节是天线的搭接设计。良好的搭接可以有效降低天线单元的驻波比，提高天线效率。同时，良好的搭接设计还可以及时消除天线单元周围积累的静电荷。本文所参考的直升机平台的结构体大量采用了复合材料，减轻重量的同时，也给共形天线的搭接带来了困难。为了实现集成于斜梁蒙皮内的天线单元的搭接，需要在蒙皮内的复合材料铺层中增加一条超薄铜网带，以实现天线单元与斜梁金属骨架的搭接。由于铜网带与天线单元结构体一体成型，为保证搭接的可靠性，还必须在两者之间增加一个金属镶嵌件，镶嵌件贯穿了两种材料，在结构体成型以后，金属镶嵌件确保了两种材料的可靠连接。

3.2 测试方案

共形天线方案设计完成后，还需进行实际测试验证。传统的V/UHF天线测试在暗室中进行，并在天线底部加装一个大的金属板，用于模拟天线装机后的机体金属结构。这种测试方案简便可行，但是与天线的实际装机环境相差较大。其测试结果无法直接应用于装机后天线性能的验证评估。

共形天线的性能与机体结构强耦合，无法采用传统的测试方案。针对共形天线的测试，需专门设计制造测试用直升机斜梁结构件，最大程度贴合共形天线的实际装机环境。由于对V/UHF频段电磁信号辐射产生影响的还有尾减整流罩、平尾等结构件，为了保证测试结果尽可能接近实际状态，还需等比例、采用相同材质复制以上结构件的外形构件，并在相同位置安装。

图6为驻波比测试方案，首先将共形天线前段、后段安装到测试结构件上，然后将被测品整体移入暗室转台。暗室转台需实现水平全向旋转，并安装夹具。暗室内的吸波材料需满足30~400MHz的要求。通过矢量网络分析仪检测，共形天线的驻波比最大为2.2。

图6 驻波比测试方案

图7 为天线增益测试方案，仍然需要将共形天线前段、后段安装于结构件上。

图7 天线增益测试方案

被测件整体安装在暗室转台上，通过转台旋转，测试共形天线的全向增益。转台每旋转1°，需记录标准天线和共形天线接收信号水平，再经过换算，即得出共形天线水平全向的增益情况。

图8为功率容量测试方案，仍然需将共形天线前段、后段安装在结构件上。被试件整体移入暗室，使功放工作在预先选取的典型频点连续工作30min，观察共形天线不应有物理损伤和损坏，再次测试共形天线驻波比，检查是否发生变化。

图8 功率容量测试方案

功率容量测试中，测试频点的选择应参考驻波比测试的结果。大驻波比的频点进行功率容量测试时，有可能对功放造成损坏。如果天线载驻波比测试中出现了特别大的驻波比的频点，那么该频点将不满足使用要求，天线方案需进一步改进再行测试。

3.3 测试结果

驻波比测试结果见表1。

表1 驻波比测试结果

从表1可以看出，测试结果完全满足载机对天线驻波比性能的要求，并且有较大的余量。

图9为156MHz频点，共形天线的水平全向增益。0 °方向为直升机航向，可以看出，共形天线在156MHz频点的天线增益基本满足载机的要求；在直升机左右两侧存在增益较低的情况，由于驻波比性能指标存在较大的余量，可以适当调节匹配网络，提高增益水平。同时，还需进一步优化天线缝隙结构，提高直升机左右两侧的增益水平。

图9 156MHz频点，共形天线的水平全向增益图

4 结束语

直升机V/UHF频段共形天线技术的研究，是直升机平台信息化技术发展的重要组成，具有广阔的应用前景。本文针对某型直升机平台提出的共形天线方案，经测试已具备了基本的装机应用条件，但是在天线增益方面尚有不足，还有待进一步研究完善。

对于天线增益的影响，最重要的原因是直升机的复合材料结构，特别是其中的碳纤维铺层。在后续的研究中可以考虑将缝隙天线的原理应用于机体蒙皮的碳纤维铺层设计，在满足强度要求的同时，增添部分缝隙设计，以产生缝隙天线单元阵的效果，减小天线增益的不圆度指标，从而进一步提高共形天线的增益水平。