直升機超短波天線裝機性能仿真分析

中國西南電子技術研究所 郭 晨

針對直升機超短波通信需求，分析了超短波天線受裝機環境的影響。通過仿真與試飛方向圖測試數據的對比，驗證天線裝機性能仿真的準確性。根據仿真分析結果，可準確評估直升機任意機動角度下，天線裝機性能是否滿足通信距離要求。該分析方法可應用于直升機超短波天線布局設計。

機載平臺為了實現與各個方向上、多種協同通信目標的超短波通信，通常選用增益較低的全向天線形式的超短波天線。受直升機平臺機身小、機背不平坦、機腹外掛設備多等裝機環境的影響，直升機超短波天線裝機方向圖會產生畸變，天線增益在某些方向上更低，從而限制直升機超短波通信功能的通信距離和通信質量。因此，對超短波天線裝機性能進行準確的評估顯得更為重要。

傳統的超短波天線布局仿真僅分析天線裝機后，方向圖是否畸變以及產生畸變的大體趨勢。直升機試飛方向圖測試，雖能測出天線裝機方向圖特性，但該測試耗費大量人力物力，并且測試點數受限于飛行方法及飛行架次，較難測出完整的天線裝機方向圖。

本文主要針對直升機超短波天線受裝機環境影響，在超短波通信功能的角度，分析直升機在任意機動角度下，天線裝機性能能否滿足通信距離要求。為機載天線裝機性能的評估提供新的思路。

1 天線裝機性能仿真建模分析

1.1 天線裝機影響分析

在超短波天線的工程研制過程中，前期的仿真工作以及后期的測試工作通?；谝欢ǔ叽绲慕饘賵A盤或平板（直徑或邊長為1.5m），該狀態與超短波天線的真實裝機環境差距很大。如圖1所示，通過對天線置于圓盤、局部蒙皮載體和整機狀態進行仿真，分析裝機環境對天線方向圖帶來的影響。

圖1 超短波天線仿真示意圖

直升機機背一般都不平坦，機背上的超短波天線安裝面會與水平面成一定夾角，并且天線還會受機頭駕駛航、機尾尾翼的遮擋。

圖2所示的天線方向圖仿真曲線中，超短波天線傾斜安裝帶來了天線方向圖不圓度的惡化（黑線-不圓度1dB，綠線-不圓度6dB），而機身的遮擋使得天線方向圖在機頭、機尾方向有3-10dB左右的損失。

圖2 380MHz頻率下天線方向圖仿真曲線

由上述仿真結果可以看出，傳統的金屬圓盤、局部蒙皮載體均不能反映超短波天線真實裝機環境帶來的影響。

1.2 天線裝機模型與實際裝機差異分析

圖1(c)天線置于整機仿真狀態與實際裝機是存在差異的，主要表現在：

（1）飛機模型與真實飛機差異

飛機模型作了簡化處理，在細節尺寸上與真實飛機存在區別；

（2）飛機裝載設備差異

忽略了機載設備（如其它天線、起落架、輪胎、著陸探桿等）對超短波天線（通常安裝于機背或機腹）的遮擋影響。

（3）飛機機身復合材料差異

直升機機身在部分區域表面采用復合材料填充，而天線裝機仿真時將整個飛機作為金屬處理。

通過圖3所示算例，初步分析超短波天線受遮擋物影響。圖3中，在超短波天線方位0°方向，距天線790mm（對應380MHz的一個波長）放置一個直徑為100mm的圓柱體遮擋物，遮擋物高度分別為0.1λ～0.5λ（79mm～395mm）。

圖3 超短波天線受遮擋物影響仿真示意圖

圖4所示的仿真結果，當遮擋物高度為0.1λ時，天線水平面方向圖幾乎不受影響；當遮擋物高度為0.2λ時，天線水平面方向圖不圓度約有1dB左右的惡化；當遮擋物高度為0.3λ～0.5λ時，天線水平面方向圖不圓度約有3dB左右的惡化。

圖4 380MHz頻率下天線方向圖受遮擋物影響仿真結果

初步分析超短波天線受復合材料影響，將超短波天線置于涂覆介質材料的金屬平板上，其中介質材料厚度為20mm，分別仿真計算介質材料的介電常數為2和6兩種情形，并與金屬平板表面無介質的情形對比。

圖5所示的仿真結果表明，在超短波天線周圍涂覆介質材料對天線方向圖沒有影響。

圖5 380MHz頻率下天線方向圖受介質材料影響仿真結果

結合以上仿真結果，給出天線裝機性能仿真建模建議：

（1）應盡量保證飛機模型的準確性，簡化模型過程中，尺寸與實際差異最好不超過仿真頻率的0.1λ。

（2）天線周圍高度超過仿真頻率0.3λ的遮擋物應盡量建入仿真模型中。

（3）忽略機身表面復合材料對超短波天線的影響，機身表面均作為金屬處理。

圖7 直升機方位角、俯仰角示意圖

圖8 滿足通信作用距離空域覆蓋圖

2 天線裝機仿真與實測對比分析

為驗證天線裝機仿真的準確性，基于某型號的部分超短波天線試飛測試數據，與天線裝機狀態的仿真結果進行對比分析。測試點處在本次試飛測試僅采集了8個飛行點的數據，每個飛行點對應的飛機航向、飛機姿態角信息、接收電平及天線坐標系方位角數據如表1所示。

表1 外場各測試姿態慣導信息表

表1所示中，天線坐標系下方位角跟飛機航向一致，將飛機俯仰角、橫滾角換算為天線坐標系下的俯仰角。

在天線裝機仿真結果提取出上述8個點，并與實測結果歸一化后，繪制對比曲線。如圖6，可以看出除方位角225°以外，天線裝機仿真方向圖與實測電平趨勢基本吻合，驗證了天線裝機仿真的有效性。

圖6 實測與仿真方向圖對比

3 天線裝機性能分析

從超短波通信功能角度，天線裝機性能直接決定了通信距離。通過通信作用距離公式(1)，在明確通信距離要求，預估發射機輸出功率、接收機天線增益、發射機饋線損耗、接收機饋線損耗的基礎上，可從功能角度得出對天線增益的最小要求。

公式(1)中，Pt為發射機輸出功率，Gt為發射機天線增益，Gr為接收機天線增益，Lt為發射機饋線損耗，Lr為接收機饋線損耗，為工作頻率。

圖9 兩種天線布局情形下滿足通信作用距離空域覆蓋圖

從直升機飛行任務剖面角度，應關心直升機的機動角度范圍內天線裝機性能是否能滿足通信距離要求。直升機最大機動角度一般為俯仰角±30°，橫滾角±30°，對應到機體坐標系應關心的角域為方位AZ（-180°，180°），俯仰EZ（-30°，30°），如圖7所示。

基于某型直升機，根據天線裝機仿真增益是否滿足通信距離對天線的最小增益要求，得到圖8結果。圖中黃色區域為天線裝機仿真增益達不到最小增益要求的角域，白色區域為天線裝機仿真增益滿足最小增益要求的角域。

從圖8所示中可以看出，機頭方向的遮擋對通信距離的影響更為嚴重，此仿真結果與實際拉距試飛實驗中，背臺（機尾朝地面通信臺）通信距離比向臺（機頭朝地面通信臺）通信距離更遠的結果是一致的。

4 天線布局應用實例

以某型直升機為例，在尾梁上方對超短波天線布局位置進行優化。初步選定兩個安裝位置：（1）尾梁前段，離機頭更近；（2）尾梁后段，離垂尾更近。按上節中天線裝機性能分析方法，給出兩個布局位置滿足通信作用距離的空域覆蓋圖。

圖9所示的結果對比，可以很清晰的看出兩種布局的優缺點。天線布置于尾梁前段時，天線機頭方向通信距離不滿足要求，機尾及機身兩側通信距離滿足要求；天線布置于尾梁后段時則相反，天線機尾方向通信距離不滿足要求，機頭及機身兩側通信距離滿足要求。

從功能任務剖面來考慮，若更關心直升機前方的通信對象，可選擇天線布置于尾梁后段的布局；若更關心直升機后方的通信對象，可選擇天線布置于尾梁前段的布局；若直升機前方、后方的通信對象均很重要，則需要繼續優化天線布局位置。終上所述，可體現天線裝機性能分析方法對天線布局設計的指導作用。

本文針對直升機超短波天線，提出了天線裝機性能評估的必要性，分析了仿真與實際裝機的差異性帶來的影響，給出更接近真實結果的仿真建議。通過仿真與試飛方向圖實測數據對比，驗證了天線裝機性能仿真的準確性。從超短波通信功能的角度，快速分析直升機在極限機動角度范圍內，天線裝機性能能否滿足通信距離要求。本文的工作對機載超短波天線布局設計具有一定的指導意義和借鑒價值。