一种降低机体对天线方向图影响的多天线应用方案*

芮 锡，钟志浩，李从周

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

0 引 言

机载超短波通信主要是完成飞机与飞机、飞机与地面目标、飞机与海面目标之间的视距通信。机载超短波天线通常采用刀型天线，安装在机背或机腹，形成方位面全向辐射的垂直极化方向图[1]。为了保证通信效果，要求天线增益尽量高，天线装机后机身对天线方向图辐射畸变影响尽量小。通常天线布置在机背、机腹的中轴线上，或者布置在垂尾顶部，尽量减少机身对天线方向图的遮挡影响[2-3]。由于天线工作频率低，且天线为方位全向辐射，天线辐射受机身影响大，为达到比较优的装机辐射性能，往往要做大量天线布局优化设计工作。受限于天线装机的条件及飞机的外形，优化设计后天线方向图在部分区域依然比较差，影响通信性能。在天线布局设计优化后，通过全尺寸模型静态测试或者飞行测试[4]，针对实际测试摸底数据评估并制定相关后续飞行策略，尽量避免天线方向图畸变导致超短波通信链路中断。

本文结合运输机超短波通信高可靠性的需求，基于天线装机后多天线仿真对比，分析多种天线使用策略，改善由于天线装机带来的增益低、覆盖率低等问题，满足多链路高可靠通信使用要求。

1 使用场景分析

1.1 超短波通信链路

超短波天线的接收功率反应了超短波通信的能力。超短波通信接收功率计算公式如下[5]：

Pr=Pt+Gt+Gr-(Lp+Lt+Lr) 。

式中：Pt为发射机输出功率，Gt为发射机天线增益，Gr为接收机天线增益，Lt为发射机馈线损耗，Lr为接收机馈线损耗，Lp为自由空间传播损耗。通信时接收功率需大于接收机灵敏度。

根据链路公式，为了实现机载超短波通信，对于机载发射模式，可以通过提高发射功率和机载天线增益来保证通信链路指标；对于机载接收模式，可以通过提高接收机灵敏度和机载天线增益等措施来保证通信链路指标[6]。由于装机条件的限制，一般对机载超短波电台的发射功率要求比较严格，大功率发射会对电台的散热、功耗、装机空间和装机重量带来影响，同时对电磁兼容影响也比较大。接收机灵敏度受限于器件的水平，也很难提升。为了保证超短波通信链路的高可靠性，主要是通过提高天线增益，保证通信链路性能指标。

1.2 天线装机的遮挡分析

一般对于机载超短波电台，一路通信链路配置一根天线，天线布置在机背、机腹中轴线或垂尾顶端[7]。天线装机后，方向图畸变主要受两方面影响：一是机身表面对天线方向图的耦合影响引起方向图变化；二是机身表面其他的遮挡物及机身自身遮挡对方向图的影响引起方向图变化。

1.2.1 机身表面耦合

天线装机后，由于超短波天线为方位全向单极子天线形式，机身表面作为辐射地板参与辐射，天线方向图受机身影响发生畸变。通过三维电磁仿真软件对天线装机后方向图进行仿真。机身模型如图 1所示，为某型运输机经过简化后的外表皮模型。在仿真过程中，机身表面设为闭合面，边界条件近似视为良导体。如表 1所示，单天线装机后，通过全机蒙皮与天线整体评估，在超短波工作的不同频点上都发生不同程度的方向图畸变。

图1 天线装机模型

表1 天线装机前后方向图变化

1.2.2 机身遮挡

在运输机模型机背前部中轴线布置一个超短波天线，通过三维电磁仿真软件仿真评估225 MHz频率下的装机方向图。仿真过程中，机身表面边界条件视良导体，超短波天线为与机身表面通过线源相连接并作为馈源。

如图2和图3所示，天线装机后方向图(水平面)发生明显的变化。

图2 天线装机后三维方向图(225 MHz)

图3 天线装机后方向图与单天线方向图对比(水平面，225 MHz)

图 3给出了水平面上方位一圈的天线增益方向图，其中方位角φ=0°表示机尾方向，φ=180°表示机头方向。受机身和垂尾的遮挡，在机尾方向天线增益方向图产生明显的凹陷(凹陷6 dB)，对超短波通信链路带来严重的恶化，影响通信速率和通信距离；机头方向没有遮挡物，天线方向图未发生畸变，不影响超短波通信链路。

一般大型运输机在飞行高度3～8 km、通信距离大于100 km时，无论是空空通信还是空面(地面、海面)通信，通信链路主要使用机载天线在水平面的增益方向图[8]。根据图3仿真结果，在机尾方向方向图恶化6 dB左右，直接导致通信距离降低一半。

2 多天线使用方法

对于一般的小型机载平台，一般只有一路超短波通信链路，机上只布置一个超短波天线，因此天线装机后方向图的恶化会导致通信链路的中断，工程中很难解决。而对于大型机载平台，如运输机等，一般都配了多条超短波通信数据链[9]，可采用多天线方向图互补和组阵两种方式提高天线空域覆盖性，弥补天线受装机影响而造成的方向图恶化。图4所示为某型运输机超短波天线布局示意图,机背布置4副超短波天线UV_up 1～4，间距均为1 m；机腹布置2副超短波天线UV_down 1～2，间距为6 m，并且UV_down1和UV_down2之间布置有直径1.5 m的半球形遮挡物。

图4 超短波天线布局示意图

2.1 天线方向图互补

机腹超短波天线在频点为225 MHz时的二维、三维方向图分别如图5和图6所示。

图5 天线装机三维方向图

(a)down1、down2水平面方向图

(b)down1+down2水平面方向图图6 天线二维方向图(θ=90°)

由于UV_down1和UV_down2之间布置有直径1.5 m的半球形传感器，如图 6(a)所示，UV_down1的后向和UV_down2的前向均受传感器遮挡，增益下降5～10 dB，单天线使用无法覆盖水平全向(0°≤φ≤360°)。为提高天线覆盖率，采用多天线方向互补技术，使用UV_down1和UV_down2同时接收超短波频段信号，选择信号强度更大的使用，如图 6(b)所示，UV_down1和UV_down2方向图互补后，在水平面无凹陷，可以覆盖水平全向(0°≤φ≤360°)。

2.2 天线组阵使用

UV_up1～4布置于机背，其中UV_up1工作在225 MHz时，装机方向图如图7所示，受垂尾遮挡，在后向±30°内增益下降5～10 dB，同样单天线无法满足功能使用要求。

(a)UV_up1三维方向图

如图8所示，UV_up1～4等间距(d=1 m)排布，阵列扫描方向为θ，由于每一单元的辐射场在波程上比前一单元相位领先kΔr=kdcosθ，设每一单元的电流相位都比前一单元落后Ψ，即相邻单元相位差为Ψ，则相邻阵元的辐射场在远场合成时相位差um=kdcosθ+Ψ。根据天线阵元叠加原理，当um=0时，各场同相叠加，形成最大值，那么Ψ=-kdcosθ。

图8 四元阵示意图

根据波束扫描原理，在阵元后端引入移相器，通过移相器改变相邻单元初始相位差Ψ，可以使得UV_up1～4合成后的方向图在方向θ为最大值[10]。

UV_up1～4组阵使用后的四种典型情况如图9～12所示。

图9 提升机翼两侧增益的水平面方向图

图10 提升机头增益的水平面方向图

图11 提升机身周围增益的水平面方向图

图12 提升机尾增益的水平面方向图

相比较于单天线UV_up1，图9合成后方向图在机翼两侧(70°≤φ≤100°，260°≤φ≤280°)，增益有明显提高，最大提升6.5 dB；图10合成后方向图在机头(140°≤φ≤220°)，增益有明显提高，最大提升5 dB；图11合成后方向图在机身(35°≤φ≤65°，115°≤φ≤145°，215°≤φ≤245°，295°≤φ≤325°)，增益有明显提高，最大提升4.5 dB；图12合成后方向图在机尾(-45°≤φ≤45°)，增益有明显提高，最大提升5 dB，天线组阵后仍受垂尾遮挡，但后向是增益有整体提高，提高后可满足功能要求。

综上所述，通过灵活调整多天线的相位，可以实时调整天线波束指向，天线增益可比原单天线增加5～6 dB，通信距离可提升约一倍。多天线的使用前提是取消独立天线或者专用天线，天线作为一种公共资源为机载射频系统服务提供更高增益、更优的空域覆盖能力，保障通信概率。多天线使用依据机载平台特性和功能链路指标进行详细分析和使用策略设计，可改善和提升通信性能。

3 结 论

本文结合运输机超短波通信需求，基于天线装机后多天线仿真分析多天线使用方法。与单天线相比，多天线方向互补技术能提高天线空域覆盖性，改善由于遮挡导致的增益降低，实现方位面全向覆盖。通过天线组阵使用，在不同工作模式下能显著提高增益，提升通信距离，降低机体对天线方向图的影响。