HF回线天线民机适用性研究

陈世浩，孟 健

（中电科柯林斯航空电子有限公司，成都 611731）

短波天线是民用飞机高频（HF，high frequency）通信系统的重要组成部分之一。其主要形式包括：钢索天线和隐蔽式天线，而隐蔽式天线主要形式包括：缝隙天线和回线天线[1-2]。根据飞机设计要求，民用飞机天线要具备体积小、重量轻、强度高等特点，且大多做成流线型、隐蔽式或与机体共形，以减小对飞机气动性能的影响。

早期国产大型飞机短波天线基本采用钢索天线[3]，其结构简单且效率高，但由于其易结冰且有外部突出物，仅适用于低速飞机。国产新型涡扇飞机ARJ-21 和Y8-F600 等采用缝隙天线[4]，属于隐蔽式天线的一种。缝隙天线是直接在飞机垂尾前缘蒙皮上开槽而成，一旦设计确定再做更改将会影响机体的结构设计。文献[5]仿真分析了两种形式的隐蔽式天线，但仅对平面方向图和输入阻抗进行了分析，仿真分析不全面。文献[6]针对回线天线实物测试结果开展分析，对验证回线天线性能有重要意义。由于回线天线具备较好的辐射与调配特性且设计灵活、后期更改成本小，因此以回线天线为研究对象，研究其在民用飞机的适用性。分别研究回线天线的阻抗特性、效率、功率容量及辐射特性、天线增益等特性是否满足民用飞机对短波天线的需求。

1 HF 天线性能要求及设计约束

大型民机的HF 天线通常是一个低剖面天线，安装在其垂尾前缘。HF 天线必须保证具有良好的辐射和调配性能，同时，其对飞机的气动影响要降低至最小。民机HF 天线的基本指标要求如下：

1）工作频段：2.0～30.0 MHz；

2）调配要求：在工作频率范围内，每隔100 Hz 频率间隔的频道上，均能实现与天线耦合器阻抗匹配；

3）方向图：最低增益应不低于-28dB（2.0～30.0 MHz，0～360°方向范围）；

4）承受功率：400 W；

5）通信距离：2 000 km。

HF 天线的基本安装位置如图1所示。天线安装在垂尾的前缘部分，其前缘和主体部分间是垂尾的辅助前梁。天线的长度为2.5～2.8 m，在工作频段内，天线的电长度为λ/60～λ/3.4，属于小天线范畴。由于特殊的安装位置，对HF 天线的性能有较大影响，因此天线的设计和选型非常重要。

图1 HF 天线安装示意图Fig.1 HF antenna installation position

2 HF 回线天线性能分析

回线天线是缝隙天线的一种变形，如果垂尾前缘蒙皮采用非金属材料，则在垂尾前缘内部布置一个金属制的双回线天线，其形状和工作原理与缝隙天线类似，因此可保证较好的辐射特性与调配特性。为了保证理论分析和计算的可靠性，采用电磁计算软件HFSS和ADS 进行分析，尤其侧重于天线输入阻抗的分析研究，并在阻抗分析的基础上对天线的效率和功率容量进行研究。考虑到飞机垂尾对天线辐射特性影响较大，在对回线天线辐射特性研究时将天线和垂尾进行一体化研究计算，忽略了机身、机翼等部分对辐射的影响。

2.1 阻抗特性

天线的阻抗特性非常重要，其关系到系统的效率和天线适配调节器能否正常工作。回线天线是用金属带构成的一个矩形回路天线，如图2所示。其结构类似一个终端短路的带状金属有耗传输线，由天线结构可以看出，回线天线基本上是一个均匀传输线。

图2 回线天线示意图Fig.2 Loop antenna

使用HFSS 软件对该构型的回线天线输入阻抗进行计算，输入阻抗数值得到仿真曲线，如图3所示。

图3 输入阻抗数值仿真计算曲线Fig.3 Input impedance numerical simulation curve

从图3可知，回线天线的输入阻抗值在低频段时呈线性增长；在高频段时输入阻抗值呈指数增长，峰值出现在谐振频率。对比缝隙天线的特性，回线天线的阻抗特性和缝隙天线类似，但结构尺寸相近的回线天线和缝隙天线的谐振频率差别较大，其原因在于回线天线上的电流限制在天线金属带上，而缝隙天线电流则可以扩散至垂尾表面，分布更广，流经路线更长，所以谐振频率低。

2.2 效率分析

由图3可知，由于低频段时HF 天线输入的阻抗实部与高频段接近谐振时的输入阻抗相差太大，因此必须增加调谐装置，来提高天线系统的效率。在大部分工作频段内，HF 回线天线是呈感性的，而常用的天线调配系统则是电感型的，为适应这一类系统，在天线的输入处跨接了一个适当的电容，其与天线调配器电容的作用一样，可提高天线系统的效率，同时有利于调配。HF 天线调谐装置如图4所示。

图4 HF 天线调谐装置示意图Fig.4 HF antenna tunning unit

设天线的输入阻抗为

其中：Rin为输入电阻；Xin为输入电抗；j 为虚部。

则A 处的阻抗为

其中：Xp为电抗。

如果电抗和天线输入阻抗构成的回路接近于谐振，剩余电抗则由电抗原件LM 抵消，从而实现对输入阻抗虚部的调配，再通过自耦变压器T 实现阻抗匹配。电抗原件Zp、LM 和自耦变压器T 有其自身的附加电阻，其电感品质因素Q 值是有限的，且其电阻会产生损耗，影响天线系统的效率。所以考虑到调配系统以后，整个天线系统的效率将降低很多。假设调配系统电感Q=100，则不同频率下的系统效率如表1所示。

表1 调配效率表Tab.1 Tunning effcieny

回线天线的效率和缝隙天线相近。一般来说，天线调配系统的电感品质因素Q 值比上述假定的还要高一些，当机载高频天线的长度在2.4～4.0 M 范围内时，天线在2～30 MHz 频率范围内，包括天线适配调节器在内的系统效率在20%～95%范围内。

2.3 功率容量分析

民机要求的通信距离远，所以使用的高频电台输出功率较大，要求天线所能承受的射频功率不小于400 W，即

对于常规的50 Ω 电缆，发射机输出电流为4 A，通往天线适配调节器的电缆应可承受该电流。由于在工作频率低端，天线输入电阻很小，设天线适配调节器效率为25%，输入电阻0.05 Ω，此时天线的输入电流为63 A。对于回线天线，天线电流密度最大处是前部导体，宽度不小于100 mm，厚度不小于4 mm，可以承受上述电流。通过上述分析，回线天线能满足天线功率容量的要求。

2.4 辐射特性

方向图是衡量天线传输有用信号效能的重要指标，当天线安装到机体后，由于散射、辐射源等互耦作用，天线的辐射方向图可能会发生畸变，导致此处通信效果差。6 MHz 频率下回线天线的三维辐射方向图如图5所示。

图5 HF 天线三维辐射方向图Fig.5 HF antenna 3D radiation direction diagram

从图5可看出，虽然计算时只考虑了垂尾的影响，而没有考虑机体的影响，但图中可以看出天线的辐射特性还是比较好的，在方位面没有明显的凹陷。

2.5 天线增益分析

基于理论分析，采用天线辐射模拟软件进行数值仿真，在不同方向和不同频段可以得到以下结论如表2所示。

表2 增益分析表Tab.2 Gain analysis

由表2可以看出，天线辐射方向性波动最深凹陷处，其增益仍大于-28 dB，满足设计的基本要求。

3 天线安装要求

由于是机载天线，飞机上的一些导电部件和系统可能对天线性能产生影响，所以天线的安装都有相应的安装要求。飞机电搭接技术要求[7]规定，应尽可能避免将天线布置在舱口、口盖、蒙皮间断部位和其他不规则的机体附近。

HF 天线最合适的安装位置是垂尾前缘，飞机的垂尾前缘一般是由3 块蒙皮组成，其中最下部的蒙皮长度为约2.5 m，是比较合适的位置（若长度能增加到2.8 m 最好）。基本设计为：天线所对应的前缘蒙皮必须是采用环氧玻璃纤维复合材料的透波结构，从而保证天线的辐射。天线直接安装在蒙皮内部，可以装在前辅助梁上，如图6所示。

图6 天线安装示意图Fig.6 Antenna installation sketch map

HF 天线的基本安装要求为：在垂尾前缘安放天线的位置，不应有（或尽可能少）其他金属元件，在天线的馈源附近，不能有多余的金属元件。

4 结语

HF 回线天线作为隐蔽式天线的重要形式之一，具有传统HF 天线不具备的优点，通过研究分析可知回线短波天线可满足短波通信系统的技术要求和安装需求，实现全频段的调谐和远距离的通信，且回线天线设计灵活，不是直接在垂尾前缘蒙皮上开槽而成的，设计确定之后再做调整改变不会严重影响机体的结构设计，是现代民机HF 天线选型的优选形式。但回线天线数值仿真计算仅仅考虑了垂尾的影响而未考虑机体影响，后续还需计算考虑机体影响的三维辐射方向图进一步优化天线的设计。