直升机测向天线阵装机影响分析

芮 锡，钟志浩，郭 晨

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

0 引言

直升机机载电子系统在现代电子侦查中的作用越来越大。准确的测向可以获取敌方目标的位置信息，为实现精确打击提供重要信息保障。相比地面侦查系统，直升机机载侦查设备克服了机动差、作用距离受地表限制多等劣势。机载侦查系统具备侦查距离远、灵活机动、控制简易、侦查范围广等优点，能够完成地面侦查设备不能完成的复杂地形条件下的远距离侦查任务。高性能机载测向系统作为一种重要的侦查手段，可以实时灵活地掌控作战区域范围内的电磁态势信息，为制定作战方案提供有力的情报支撑；同时也可以利用直升机自身的机动性，实现高精度的时差定位，获得敏感目标的位置信息，引导制导武器进行高效的火力打击。

直升机机载测向系统由于受装机条件的限制，在具体实施过程中存在很多问题，主要表现在：

1)测向天线阵的装机适应性

测向天线阵一般包含4～6个天线单元。为了保证测向精度，天线单元之间的距离需要满足相应的基线要求。受限于直升机平台自身的外形、气动等因素，测向天线阵的布局会受到很大的影响，往往不能按照理想的基线要求进行布阵。同时，由于直升机表面有大量其他设备存在，对天线形成复杂的耦合，天线单元之间的幅相一致性变差，影响测向精度。

2)测向设备的体积和重量限制

直升机受平台的约束，对机载设备的重量、重心、装机位置和装机体积都有严格的要求。测向设备及射频电缆铺设都对测向链路的性能指标有影响。

3)测向设备受机上复杂电磁环境影响

直升机机载电子设备多，且安装相对集中，辐射功率大，电磁频谱复杂，对机载测向设备形成干扰，等效降低了测向接收机的灵敏度。

本文主要针对直升机测向天线阵的装机对测向性能的影响，在超短波频段，分析测向天线阵的装机适应性，并针对影响因素进行优化设计，改善天线单元之间的幅相一致性，优化测向性能。

1 测向天线装机分析

1.1 测向体制选取

受测向频率、测向精度，直升机平台及天线适装性影响，直升机超短波测向一般采用干涉仪测向体制。其优点主要包括以下几个方面。

1)天线布阵方式灵活，直升机平台外形结构对天线布置影响较小；

2)可以采用长短基线配合的方式实现测向，保证相应的测向精度；

3)采用多通道测向，测向速度快，效率高；

4)对信道的幅相一致性要求相对较低。

实际情况中，对于超短波频段的测向天线，由于频率低，天线工作波长长，对基线距离要求高，直升机对超短波频段天线布局带来的影响较大。因此，在实际工程中需要做大量的优化布局仿真，满足测向要求。

1.2 测向天线选取

采用干涉仪体制，需要进一步选取天线阵排布，一般机载测向阵选取圆环阵、直线阵、正交阵(如L型、T型或十字型阵)。

1)圆环阵

圆环阵是常用的布阵形式，可以360°全方位测向，优点明显。但是该布阵方式对机载平台布阵的面要求比较高，需要有一定面积区域来实现布阵，特别是在低频段，受机身影响大，因此不适合直升机平台。

2)直线阵

直线阵也是常用的布阵形式，对于大型机载平台(如运输机)，可以在机背或机腹顶部沿航向非均匀布阵，实现机身两侧高精度测向，但是在直线方向的测向精度较差。对于直升机平台，机背和机腹都没有平整区域，因此该布阵方式也很难用于机载平台。

3)正交阵

正交阵本质上是两条正交的直线阵组合而成，可以实现360°全方位测向功能。一般机载平台由于装机空间的限制，正交阵的两条直线阵基线长度不同，在某些角度测向精度比较高，某些角度测向精度比较差。对于直升机平台，一般机腹前部比较宽，而中后部逐渐变窄，因此可以提供较长的纵向基线，但横向基线比较短。

本文重点分析超短波频段测向功能对天线布阵的选取和优化。结合直升机平台特性和全向360°测向的需求，本文选取干涉仪测向体制及T型布阵形式。天线单元间的距离如图1所示，采用6元T型干涉仪布阵。纵向基线布置4个天线单元，基线总长为2850mm。横向基线布置3个天线单元，基线总长为1100mm。中间天线单元(Ant5)为横向/纵向基线共用单元。

图1 六元T型阵布阵示意图

天线采用布阵设计，理想情况下天线单元之间的幅度和相位具备很好的一致性，天线的测向精度主要取决于基线自身排布特性。实际工程中，受装机影响，天线装机后天线单元之间的幅度和相位有较大的差异，对测向性能造成影响。本文分析6元T型阵装机后，天线单元之间的幅度和相位一致性受装机的影响。

2 测向天线影响分析

2.1 曲面布阵对幅相一致性的影响

真实的直升机平台不具备平整的平面，实际装机条件为一个曲面，天线底座的高度不一致。如图2所示，6元T型阵分别布置在平面和曲面上，分别设计为Case1和Case2。Case2曲面的天线在水平面的投影与Case1一致。分析超短波频段(100MHz～200MHz)天线单元之间的幅度和相位一致性。远距离条件下，信号侦查主用天线水平面方向图。本文重点分析

θ

=90°(水平面)的方向图。

图2 测向天线T型阵

图3、图4分析了Case1和Case2在不同装机条件下，天线单元之间的幅相一致性差异。详细统计见表1-表4。

图3 天线1与天线2幅度、相位差比较图(136MHz)

图4 天线1与天线5幅度、相位差比较图(136MHz)

如表1-表4所示，受装机影响，Case2天线之间的幅相一致性明显恶化，天线阵在同一平面上更利于改善天线单元间的幅相一致性。

天线1天线2天线3天线4天线5天线6天线11.121.342.901.473.59天线2-3.231.252.691.473.45天线3-4.913.743.102.133.89天线45.796.207.151.892.14天线54.394.315.29-5.532.42天线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)天线1天线2天线3天线4天线5天线6天线113.339.6813.5514.0217.92天线2-33.8111.1013.609.1413.49天线3-27.91-21.1614.639.3918.31天线4-52.3839.28-35.559.8515.75天线5-46.10-17.34-30.24-29.2813.17天线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)天线1天线2天线3天线4天线5天线6天线11.722.353.103.433.68天线24.012.261.682.122.09天线3-6.12-4.332.513.523.24天线46.62-3.175.831.861.83天线57.224.986.663.591.49天线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)天线1天线2天线3天线4天线5天线6天线117.0417.2412.0416.1817.31天线2-32.5618.4815.456.3814.77天线354.0349.9818.8416.2320.50天线429.9052.2139.5713.3716.58天线5-31.6719.91-32.03-45.4111.11天线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 遮挡物对幅相一致性的影响

真实的直升机平台有多个外挂物，天线阵各个单元很难寻找到远离遮挡物的区域。如图5所示，在Case2的基础上，天线1和天线2之间有三个外挂设备为遮挡物，设计为Case3，其他条件不变。

图5 测向天线T型阵

图6、图7分析了Case2和Case3在不同装机条件下，天线单元之间的幅相一致性差异。详细统计表见表5、表6。

图6 天线1与天线2幅度、相位差比较图(136MHz)

图7 天线1与天线5幅度、相位差比较图(136MHz)

天线1天线2天线3天线4天线5天线6天线12.784.464.524.144.75天线2-7.064.302.522.683.20天线3-13.90-7.462.924.043.64天线4-13.95-6.899.101.932.13天线5-11.016.527.76-4.991.62天线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)天线1天线2天线3天线4天线5天线6天线130.8131.4623.6828.7427.78天线271.7733.9424.9317.6222.50天线389.8167.3525.4123.0928.07天线453.4055.49-48.2613.4717.08天线5-49.57-28.83-42.67-54.8212.11天线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，受装机遮挡物影响，Case3天线1与其他天线之间的幅相一致性明显恶化，天线阵布置在相对空旷区域更利于改善天线单元间的幅相一致性。

2.3 天线一致性对幅相一致性的影响

真实的直升机天线装机时，受装机约束，腹部距离地面近的区域，对天线高度要求严格，导致天线存在一致性差异。如图8所示，在Case3的基础上，天线1和天线2的高度与其他4个天线不一致，设计为Case4，其他条件不变。

图8 测向天线T型阵

如图9和图10所示，分析了Case3和Case4在不同装机条件下，天线单元之间的幅相一致性差异。详细统计表见表7、表8。

图9 天线1与天线2幅度、相位差比较图(136MHz)

图10 天线1与天线5幅度、相位差比较图(136MHz)

天线1天线2天线3天线4天线5天线6天线13.355.625.964.815.72天线2-17.814.473.612.863.81天线3-25.4310.133.944.353.70天线4-24.97-7.4612.281.942.30天线5-21.156.16-7.59-7.822.03天线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)天线1天线2天线3天线4天线5天线6天线140.1036.2723.3427.5134.11天线2109.6415.9130.3229.5837.26天线3110.1739.2528.1325.5534.77天线460.7063.24-66.2715.2428.97天线550.36-59.35-67.24-54.8417.42天线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，受天线一致性影响，Case4天线1和天线2与其他天线之间的幅相一致性明显恶化，天线阵单元的一致性更利于改善天线单元间的幅相一致性。

3 结 论

干涉仪测向是一种具有较高测量精度的测向方法，广泛应用于机载无源探测系统。由于装机后机体和天线相互作用，天线的电性能参数变化较大。本文分析了直升机平台特性对6元T型测向天线阵性能的影响，通过对天线单元之间的幅度一致性和相位一致性的分析，建议在实际工程中：

1)采用统型天线，并且针对不同安装位置进行幅度和相位补偿设计，保证天线一致性；

2)布局在遮挡物少的区域，降低天线与平台之间的相互遮挡影响；

3)布局在相对平坦的区域，减少天线安装面高度差对天线的影响。

通过上述措施，改善了天线单元间的幅相一致性，提高了信号测向能力。