机载天线综述

直升机平台机载天线研究综述

李雪健

摘要:直升机作为一种快速灵活的机动装备，近几年在城市反恐处突及应急灾害救援等场合作用明显。机载天线作为通信系统的重要一环，它的性能好坏对直升机通信效果影响极大。本文介绍了机载天线的分类及特点，综述国内外当前对机载天线的主要研究方向和研究进展。介绍了以FEKO和HFSS软件为基础的直升机平台天线研究方法。

关键词：直升机平台；机载天线；研究现状

0、引言

自1907年法国人保罗·科尔尼发明直升机以来，直升机就作为人造飞行器中重要一支在人类历史上扮演着重要角色。机动灵活和起落条件要求低等特点使直升机在现代社会得到广泛应用。

机载天线是飞机系统与其它系统进行电磁能量交换的转换设备，是飞机感知系统的一部分[1]。从广义角度而言，以载机为工作平台的天线均可称为机载天线。机载天线在现代飞行器上应用十分广泛，如飞机上的通信、导航、敌我识别、电子战、雷达等。机载天线的好坏决定着整个系统通信的质量，研究机载天线有着重要的意义[2]。

关于机载天线的研究的文献众多，从事相关研究的专家学者和科研院所也非常之多。但大部分研究都是基于固定翼飞机作为平台研究的，专门以直升机作为平台研究机载天线的文章较少。但固定翼飞机与直升机所处的通信环境及对天线的要求相似，可以进行类比研究。本文以机载天线的主要研究方向及发展情况为主结合直升机平台特点进行综述。

一、机载天线研究背景

1.1机载天线的国内外研究现状

近一个世纪以来,无线电通信技术发展迅速,天线作为无线电波的入口与出口,是一切无线系统中必不可少的组成部分。天线性能的好坏直接影响整个无线系统的性能。飞机作为一种高新科技集成的载体，飞机上通信设备的数量和种类都达到了前所未有的程度，并且现代社会对各种载人、载物飞行器的功能的要求越来越高。并且随着新一代飞机的飞行速度高度等的提高以及现代社会电磁环境的日益复杂，实现飞机通信的顺畅难度变大。这就对机载天线的性能提出来更高的要求。

飞机上有很多天线，如：各式各样的导航通信系统、着陆系统、测高雷达等系统的天线。机载天线按照工作频段分类，可以分为机载中波天线、机载短波天线、机载超短波(VHF/UHF)通信天线、飞机导航天线，还有机载共形微带天线及飞机通信用的自适应阵天线等。如图1.1所示，是一个典型军用飞机上具有多达70多副天线[3]。

图1.1一种典型军用飞机上的多副天线示意图

由于现代电子通信设备的不断发展，使得飞行器天线的研究日益得到重视，同时也对机载天线的各种性能提出了更高的要求。例如对机载搜索雷达来说，常需要其天线方向图形成特定波束形状，如笔形波束、扇形波束或者余割平方赋形波束等波束形状。同时为了保证接收机接受到的回波信号强度相同，通常在俯仰面内采用赋形波束，而在水平面内为低副瓣、窄波束[4]。这些要求单个天线往往难以实现，通常需要组成天线阵列的形式。因此，天线阵列是机载天线研究的一个主要方向，在机载天线的研究中具有重要的地位。

另外，机载的各种电子设备如通信、雷达、电子对抗和导航等通常具有各自的天线。几十种不同类型的天线分布在飞机的各个部位，对飞机的空气动力学性能和隐身性能都有很大的影响。因此，在设计机载天线时，要尽量减小天线的尺寸，即实现天线的小型化设计；或者采用共形阵，减小天线形状对飞机性能的影响。小型化和共形性也是机载天线研究的一个主要方向。

由于飞机外形结构的复杂性，其电磁场边界条件也十分复杂。目前为止，对于机载天线的理论分析还没有十分完善，很难理论计算得到机载天线的精确解。因此，在机载天线理论方面还有许多问题尚待解决。

机载天线一般采用平板单极子天线，这类天线可以做成机翼形式，几乎不影响飞机的飞行性能和结构性能，因而得到了广泛的应用。在设计机载天线时，既要考虑如何实现天线作为通信前端的电特性性能，如驻波、增益、极化和方向图波瓣宽度等，又要限制天线的尺寸。因此，在设计机载天线时需要考虑到如何实现小型化特性。[5]

1.2机载天线的分类

目前国内外研究机载天线的形式和种类繁多，基本上各类型的天线都有相关的学者进行研究，下面依据天线的用途及形式对机载天线进行分类。

(1)按机载天线用途分类

①通信系统的中波天线、短波天线和超短波天线等；②导航与定位系统的中波罗盘天线、多普勒导航天线和GPS天线等；③电子侦察与对抗系统的

相控阵天线和脉冲超宽带天线等；④火控雷达及敌我识别系统中的天线。

(2)按机载天线结构形式分类

①单极子天线，如钢索天线和印刷单极子天线等；

②微带天线，如安装于载机尾梁和机翼的共形微带天线及阵；

③喇叭和双锥天线，常应用于通信或雷达对抗等系统；

④波导缝隙天线，常应用于电子侦察系统。[6]

1.3机载天线的特点和设计要求

飞机的整个机身其实就是一个隐藏的大地，和地面对地面天线的影响一样，机身也会对机载天线有影响，它的形状、大小、甚至装备天线的位置不同都会对机载天线产生影响。如果说机载天线是一个辖射体的话，那么整个飞机本身也是一个辐射体，甚至有时候是很重要的一个辖射体。最初设计飞机的时候就有必要考虑机载天线的位置，因为这对机载天线的辐射会产生关键影响。[7]

对于机载天线的性能要求，是在满足飞机上全部电子设备都正常工作的前提下提出的，这就对天线的电性能提出了要求:[8]

1)对于那些对辐射能量分布有特定要求的天线，例如雷达等设备，应该注意研究飞机的构造，把天线安装在最合适的地方。

2)天线本身就是飞机和其他自由空间进行能量转换的转换器，整个天线装置的损耗要尽可能的降到最低，不能在辐射能量中占过大比例。

3)通常设计的机载天线的电压驻波比（VSWR)不能超过设计要求，一般来说，机载天线的电压驻波比VSWR<2.5。

4)对于工作在VHF的低频段以上的天线，它的方向图应该覆盖在指定的范围内，对于机载天线来说，其方向图应具有全向性。

机载天线不但要符合其电性能要求，也要符合对其物理性能的要求，主要的物理性能包括环境条件（温度、湿度、加速度、空气动力学气动外形、强度等）、可靠性以及天线的布局等[9]。

二、机载天线的主要研究方向和关键技术

目前针对机载天线的研究主要有四个方面：机载天线小型化、机载天线共形、机载天线宽带化以及机载天线电磁耦合及布局优化。各方面都有大量研究，下面就这四个研究方向及该方向运用的主要技术做简要介绍。

2.1机载天线小型化

由于结构简单、架设方便，天线自人们开始使用无线电波进行通信就取得了广泛的应用。特别是在短波、超短波频段，这种天线更具有优势。因此，天线的小型化研究一直是热点课题[16-18]。纵观国内外研究现状，天线的小型化问题设计范围很宽，但是主要包括以下几个方面：

1．优化天线的外形结构。

天线的结构决定了天线的性能，因此天线外形结构的优化在天线设计中