一种机载短波天线的设计

摘要：本文对常见机载短波天线进行了归纳分析，并提出了一种机载短波天线的实现方法，分析了其工作原理，给出了设计参数和实测结果。采用基于有限元法的仿真软件Ansoft HFSS对天线进行建模、仿真优化，最后确定了天线的尺寸。并给出了天线的远场辐射方向图，结果表明天线具有良好的电性能特性。

关键词：机载；短波天线

Abstract: in this paper, the common airborne short wave antenna are analyzed, and puts forward a method to realize the airborne short wave antenna, and the analysis of its working principle, and gives the design parameters and test results. Based on the finite element method of simulation software Ansoft HFSS for antenna for modeling, simulation optimization, the final determination of the antenna size. And given the antenna far field radiation direction figure, and the results show that the antenna has a good performance characteristics.

Keywords: airborne; Short wave antenna

中图分类号： TN822+.3 文献标识码：A文章编号：

1引言

随着战场信息化技术的发展，机载超短波通信已不仅仅是语音通信，还有数据传输和图像传输的要求。因此，对短波天线的性能要求就越来越高。

机载短波通信的工作波长在10m～100m，因此，天线设计和安装需要考虑飞机的布局、绝缘设计和防干扰设计。典型天线的特性总结如下。

（1）线状天线：又称钢索天线，如国产的Y7飞机与H6飞机上，它们是无桅杆的倾斜式钢索天线。

线状天线的缺点安装在飞机外部，易于受损，而且天线易变性导致天线参数和使用频段发生偏差，日常维护工作比较繁琐。优点是易于根据飞机的设计进行改造安装。

（2）探针天线：探针天线安装在飞机的机翼或者尾翼的边缘。该天线的特性接近1/4波长天线，探针天线优点可以灵活的安装在飞机多个部位，天线增益系数较高，可靠性高，在HF频段有比较理想的阻抗特性。天线不足之处是易于受到飞机机翼和尾翼振动和温度变化的影响，而且贴近机身，阻抗特性容易受到影响。

（3）顶端天线：HF顶端天线是一种安装在机翼或尾翼的流线型天线，与探针天线具有相似的电特性，但是性能低于1/4波长天线。由于没有尖端，其遭受雷击的概率比探针天线稍低。

顶端天线的优点是不受外部风阻影响，可靠性高，天线辐射方向图均匀。天线缺点是包裹在机翼内部，成本较高。

（4）分流天线：分流天线与顶端天线类似，不同之处在于安装使用了绝缘材料代替了金属部分。在机翼的顶端或尾端安装分流天线，其特性与1/4波长负反馈天线类似，天线长度小于波长的1/2。

分流天线的优点是受风阻影响小，可靠性高，且天线方向图均匀，缺点是成本较高。

（5）凹槽天线：凹槽天线通常是切割成槽口状，安装在机身、尾翼、水平翼的下端。天线特性与分流天线类似。

2 “盲区”问题概述

短波通过地波和天波两种途径传播。内陆地区地面电导率低，对电波吸收很强，地波传播不到20km就衰耗殆尽了（南方水网地区略远一些）。而天波传播，因为天线有辐射角（主波瓣中轴线对地面的夹角），通信距离太近，射线仰角太大，电波穿出电离层而没有天波到达，因此经电离层反射回到地面时必然拉开一段距离。对于多数天线，从发射点到天波最近落地点的距离约为80～120km。可见在20～120km这个区间内，地波和天波都覆盖不到，就形成短波通信的静区,也称为盲区（如图1所示）。

图1 “盲区”问题示意图

在空域通信中，根据天线辐射特性（方向图），近距离和超低空通信，因为直射波的散射损耗，通信距离受限；而天波传输的第一跳由机升空，入射角相比地面通信更大，反射角更大，导致通信盲区现象更为严重。

3 “盲区”问题的解决方法

要缩小短波通信的“盲区”范围，实现无盲区通信有两种方法：

（1）尽量延长短波地波的传播距离；

（2）尽量缩短短波天波第一跳折回地面的距离。

由于地波传播损耗较大，因此要延长短波地波传播通信距离，就能增大电台发射功率，或是采用定向高增益短波天线。这两种方式在实际使用中都有其局限性。因此要解决盲区通信就只有使短波天波传播的第一跳落地距离接近为零，这个解决方案就是NVIS技术。

NVIS技术的含义是： Near Vertical Incidence Sky wave，为近垂直入射天波传播，它通过使用高仰角天线（也称“高射天线”或“喷泉天线”），来缩短天波第一跳落地的距离，仰角越高，电波第一跳落地的距离越短，盲区越少，当仰角足够大时，短波传播信号接近于垂直辐射，由电离层返回地面的短波信号正好可以覆盖整个跳跃区，盲区基本消失。。

实际通信效果：在30～120km的区间内，当鞭状天线无信号时，NVIS半环天线信号2～3级；100～250km内NVIS半环天线信号3～5级；250～500km内NVIS半环天线与鞭状天线相同；500km以上鞭状天线好。

4天线的仿真设计

4.1仿真建模

利用Ansoft HFSS仿真软件对天线进行建模、仿真，计算天线的方向图和增益曲线并进行天线参数优化。仿真模型示意图如下图所示：

天线总体长度为4200mm，夹角为65度。

图2仿真示意图

5仿真结果

在工作频率为15MHz时，天线3D方向图如下图所示。

图3f=15MHz处天线3D方向图

在工作频率为15MHz时，天线最大增益为3.9dB。

6结论

本文对常见机载短波天线进行了归纳分析，并提出了一种机载短波天线的实现方法，采用基于有限元法的仿真软件Ansoft HFSS对天线进行建模、仿真优化，最后确定了天线的尺寸。并给出了天线的远场辐射方向图，结果表明天线具有良好的电性能特性。

参 考 文 献

[1] 梁福生，王广学。飞机天线工程手册，中国民航出版社

[2] 寇明延，赵然，熊华钢。 现代航空通信技术，.国防工业出版社

[3] Dale Stacey 著，吴认彪，刘海涛，马愈昭 译。航空无线电通信系统与网络，电子工业出版社

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。