机载短波天线设计

机载短波天线设计

艾夏史小卫崔昌云

（西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，西安，710071）

aixia.xidian@

摘要：短波天线作为短波通信的前端，在短波通信系统中有着举足轻重的地位。机载天线作为飞机导航、通信等系统的重要组件，实现远距离通信主要依靠机载短波天线。新型复合材料的使用以及飞机尺寸的增大，是国际飞机发展的潮流。本文针对这一问题，对新型复合材料大飞机机载隐蔽式短波天线做了初步设计，该设计以现有回线天线为蓝本，进行了改进，使其适应新的使用条件，对机载短波天线的设计具有指导意义。

关键词：短波天线,回线天线,方向图,输入阻抗

The design of hf airbone antenna

AI xia, SHI xiaowei, Cui changyun

（National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology, Xidian Univ., Xi’an,710071）Abstract:As the front-end of an HF communication system, HF antenna plays an important role in HF communication system. As the important modules of aircraft navigation and correspondence systems ,the remote distance communication mainly depends on the airborne HF antenna. The use of new materials and larger size of aircraft is international issues.In this paper, we design an HF antenna which is on a large aircraft whose surface is new composite material. The design is based on the existing loop antenna, and is improved to adapt to the new conditions that use new materials and larger size of aircraft.

Keywords: HF antenna;loop antenna;Radiation Pattern;input impedance

1 引言

随着国内航空航天事业的飞速发展，对机载设备的要求也越来越高。其中电子设备作为通信、导航、火控系统的关键，可以说电子设备性能的优劣，直接影响到飞机是否可以完成既定任务。在机体尺寸增大与复合材料的使用这一新的使用条件下，本文主要研究大型运输机的机载短波天线，该天线主要用于远距离空地之间的通信，在不破坏飞机外形的前提下，必须保证良好的通信质量。

2 机载天线要求[1]

（1）在整个波段内。天线阻抗中的电阻分量

不应小于1Ω，而电抗分量最好不要改变其符号，绝对值不要超过2000Ω。

（2）在整个波段内，馈线上的电压驻波比应小于2。

（3）匹配器要靠近天线安装，天线输入端与匹配器之间的距离应为最小。对于顶馈天线，如尾帽天线来讲，此距离不应大于500mm。

（4）为了保证可靠通信距离，天线方向图在飞

行线路上不应有深的盲区。

3 机载短波天线设计

3.1 环天线

3.1.1 电小环

电小环天线的电磁场与具有磁矩0

m I NA

=的磁偶极子相同，即

2

1sin

jkr

j

E Z k m e

kr

φ

θ

−

=−

(0.1)

2

22

1

1sin

4

jkr

k m j

H e

r kr k r

θ

θ

π

−

=−−−

(0.2)

2

22

1

cos

2

jkr

r

k m j

H e

r kr k r

θ

π

−

=+

(0.3)

式中

m I NA

=而

I是环电流，N是圈数，A是环面积。坐标系如图3-1所示，环平面垂直于球坐标

系统的极轴，环心在坐标系统原点。在远区，仅式(0.1)、(0.2)中的首项有意义，式(0.3)可忽略，则有

784

785

20sin 4jkr Z k m E e r

φθπ−= (0.4)

2sin 4jkr

k m H e r

θθπ−=− (0.5)

显然，E φ和H θ在垂直平面内的方向图都是8字形，如图3-2所示。

图3-1 环天线和相应的环坐标

图3-2 电小环天线远区垂直面方向图

环天线激励点的电压和电流通过环的输入阻抗联系起来，即0V ZI =。电小环馈电点的阻抗是

环外电感

c L 的电抗、辐射电阻r R 和导体内阻抗

i i i Z R j L ω=+串联而成，即

()

r i e

r i e i Z R Z j L R R j L L ωω=++=+++ (0.6)

电小环天线的辐射电阻与圈数和面积乘积的平方成正比，即

()2

406r Z R k NA π=

(0.7) 3.1.2 电大环

当环天线的点尺寸增加时，其环上的电流已不再是像电小环天线上的均匀分布了。由图3-3可以看

到，谐振圆环天线电流分布与一对间距等于环直径

的同相馈电平行偶极天线大致相似[2]。

图3-3 谐振圆环电流分布与偶极天线的近似等效

3.1.2 矩形环

对于矩形环天线（图3-4），含有馈电点的一边导线长度为H ，另一边导线长度为W ，宽长比

/W H

γ=和周长()2C H W =+是两个重要的

结构参数。矩形环天线的输入阻抗曲线和增益曲线分别示于图3-5(a)、(b)中。

图3-4 矩形环天线