直升機(jī)測(cè)向天線陣裝機(jī)影響分析

芮 錫，鐘志浩，郭 晨

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

直升機(jī)機(jī)載電子系統(tǒng)在現(xiàn)代電子偵查中的作用越來(lái)越大。準(zhǔn)確的測(cè)向可以獲取敵方目標(biāo)的位置信息，為實(shí)現(xiàn)精確打擊提供重要信息保障。相比地面?zhèn)刹橄到y(tǒng)，直升機(jī)機(jī)載偵查設(shè)備克服了機(jī)動(dòng)差、作用距離受地表限制多等劣勢(shì)。機(jī)載偵查系統(tǒng)具備偵查距離遠(yuǎn)、靈活機(jī)動(dòng)、控制簡(jiǎn)易、偵查范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能夠完成地面?zhèn)刹樵O(shè)備不能完成的復(fù)雜地形條件下的遠(yuǎn)距離偵查任務(wù)。高性能機(jī)載測(cè)向系統(tǒng)作為一種重要的偵查手段，可以實(shí)時(shí)靈活地掌控作戰(zhàn)區(qū)域范圍內(nèi)的電磁態(tài)勢(shì)信息，為制定作戰(zhàn)方案提供有力的情報(bào)支撐；同時(shí)也可以利用直升機(jī)自身的機(jī)動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)差定位，獲得敏感目標(biāo)的位置信息，引導(dǎo)制導(dǎo)武器進(jìn)行高效的火力打擊。

直升機(jī)機(jī)載測(cè)向系統(tǒng)由于受裝機(jī)條件的限制，在具體實(shí)施過(guò)程中存在很多問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：

1)測(cè)向天線陣的裝機(jī)適應(yīng)性

測(cè)向天線陣一般包含4～6個(gè)天線單元。為了保證測(cè)向精度，天線單元之間的距離需要滿足相應(yīng)的基線要求。受限于直升機(jī)平臺(tái)自身的外形、氣動(dòng)等因素，測(cè)向天線陣的布局會(huì)受到很大的影響，往往不能按照理想的基線要求進(jìn)行布陣。同時(shí)，由于直升機(jī)表面有大量其他設(shè)備存在，對(duì)天線形成復(fù)雜的耦合，天線單元之間的幅相一致性變差，影響測(cè)向精度。

2)測(cè)向設(shè)備的體積和重量限制

直升機(jī)受平臺(tái)的約束，對(duì)機(jī)載設(shè)備的重量、重心、裝機(jī)位置和裝機(jī)體積都有嚴(yán)格的要求。測(cè)向設(shè)備及射頻電纜鋪設(shè)都對(duì)測(cè)向鏈路的性能指標(biāo)有影響。

3)測(cè)向設(shè)備受機(jī)上復(fù)雜電磁環(huán)境影響

直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備多，且安裝相對(duì)集中，輻射功率大，電磁頻譜復(fù)雜，對(duì)機(jī)載測(cè)向設(shè)備形成干擾，等效降低了測(cè)向接收機(jī)的靈敏度。

本文主要針對(duì)直升機(jī)測(cè)向天線陣的裝機(jī)對(duì)測(cè)向性能的影響，在超短波頻段，分析測(cè)向天線陣的裝機(jī)適應(yīng)性，并針對(duì)影響因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善天線單元之間的幅相一致性，優(yōu)化測(cè)向性能。

1 測(cè)向天線裝機(jī)分析

1.1 測(cè)向體制選取

受測(cè)向頻率、測(cè)向精度，直升機(jī)平臺(tái)及天線適裝性影響，直升機(jī)超短波測(cè)向一般采用干涉儀測(cè)向體制。其優(yōu)點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面。

1)天線布陣方式靈活，直升機(jī)平臺(tái)外形結(jié)構(gòu)對(duì)天線布置影響較小；

2)可以采用長(zhǎng)短基線配合的方式實(shí)現(xiàn)測(cè)向，保證相應(yīng)的測(cè)向精度；

3)采用多通道測(cè)向，測(cè)向速度快，效率高；

4)對(duì)信道的幅相一致性要求相對(duì)較低。

實(shí)際情況中，對(duì)于超短波頻段的測(cè)向天線，由于頻率低，天線工作波長(zhǎng)長(zhǎng)，對(duì)基線距離要求高，直升機(jī)對(duì)超短波頻段天線布局帶來(lái)的影響較大。因此，在實(shí)際工程中需要做大量的優(yōu)化布局仿真，滿足測(cè)向要求。

1.2 測(cè)向天線選取

采用干涉儀體制，需要進(jìn)一步選取天線陣排布，一般機(jī)載測(cè)向陣選取圓環(huán)陣、直線陣、正交陣(如L型、T型或十字型陣)。

1)圓環(huán)陣

圓環(huán)陣是常用的布陣形式，可以360°全方位測(cè)向，優(yōu)點(diǎn)明顯。但是該布陣方式對(duì)機(jī)載平臺(tái)布陣的面要求比較高，需要有一定面積區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)布陣，特別是在低頻段，受機(jī)身影響大，因此不適合直升機(jī)平臺(tái)。

2)直線陣

直線陣也是常用的布陣形式，對(duì)于大型機(jī)載平臺(tái)(如運(yùn)輸機(jī))，可以在機(jī)背或機(jī)腹頂部沿航向非均勻布陣，實(shí)現(xiàn)機(jī)身兩側(cè)高精度測(cè)向，但是在直線方向的測(cè)向精度較差。對(duì)于直升機(jī)平臺(tái)，機(jī)背和機(jī)腹都沒(méi)有平整區(qū)域，因此該布陣方式也很難用于機(jī)載平臺(tái)。

3)正交陣

正交陣本質(zhì)上是兩條正交的直線陣組合而成，可以實(shí)現(xiàn)360°全方位測(cè)向功能。一般機(jī)載平臺(tái)由于裝機(jī)空間的限制，正交陣的兩條直線陣基線長(zhǎng)度不同，在某些角度測(cè)向精度比較高，某些角度測(cè)向精度比較差。對(duì)于直升機(jī)平臺(tái)，一般機(jī)腹前部比較寬，而中后部逐漸變窄，因此可以提供較長(zhǎng)的縱向基線，但橫向基線比較短。

本文重點(diǎn)分析超短波頻段測(cè)向功能對(duì)天線布陣的選取和優(yōu)化。結(jié)合直升機(jī)平臺(tái)特性和全向360°測(cè)向的需求，本文選取干涉儀測(cè)向體制及T型布陣形式。天線單元間的距離如圖1所示，采用6元T型干涉儀布陣。縱向基線布置4個(gè)天線單元，基線總長(zhǎng)為2850mm。橫向基線布置3個(gè)天線單元，基線總長(zhǎng)為1100mm。中間天線單元(Ant5)為橫向/縱向基線共用單元。

圖1 六元T型陣布陣示意圖

天線采用布陣設(shè)計(jì)，理想情況下天線單元之間的幅度和相位具備很好的一致性，天線的測(cè)向精度主要取決于基線自身排布特性。實(shí)際工程中，受裝機(jī)影響，天線裝機(jī)后天線單元之間的幅度和相位有較大的差異，對(duì)測(cè)向性能造成影響。本文分析6元T型陣裝機(jī)后，天線單元之間的幅度和相位一致性受裝機(jī)的影響。

2 測(cè)向天線影響分析

2.1 曲面布陣對(duì)幅相一致性的影響

真實(shí)的直升機(jī)平臺(tái)不具備平整的平面，實(shí)際裝機(jī)條件為一個(gè)曲面，天線底座的高度不一致。如圖2所示，6元T型陣分別布置在平面和曲面上，分別設(shè)計(jì)為Case1和Case2。Case2曲面的天線在水平面的投影與Case1一致。分析超短波頻段(100MHz～200MHz)天線單元之間的幅度和相位一致性。遠(yuǎn)距離條件下，信號(hào)偵查主用天線水平面方向圖。本文重點(diǎn)分析

θ

=90°(水平面)的方向圖。

圖2 測(cè)向天線T型陣

圖3、圖4分析了Case1和Case2在不同裝機(jī)條件下，天線單元之間的幅相一致性差異。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1-表4。

圖3 天線1與天線2幅度、相位差比較圖(136MHz)

圖4 天線1與天線5幅度、相位差比較圖(136MHz)

如表1-表4所示，受裝機(jī)影響，Case2天線之間的幅相一致性明顯惡化，天線陣在同一平面上更利于改善天線單元間的幅相一致性。

天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線11.121.342.901.473.59天線2-3.231.252.691.473.45天線3-4.913.743.102.133.89天線45.796.207.151.892.14天線54.394.315.29-5.532.42天線66.206.757.615.975.09最大值平均值表1 幅度差的平均值和最大值(θ=90°,Case1)(dB)天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線113.339.6813.5514.0217.92天線2-33.8111.1013.609.1413.49天線3-27.91-21.1614.639.3918.31天線4-52.3839.28-35.559.8515.75天線5-46.10-17.34-30.24-29.2813.17天線6-53.7046.1240.39-42.9044.29最大值平均值表2 相位差的平均值和最大值(θ=90°,Case1)(deg)天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線11.722.353.103.433.68天線24.012.261.682.122.09天線3-6.12-4.332.513.523.24天線46.62-3.175.831.861.83天線57.224.986.663.591.49天線66.944.976.834.72-3.75最大值平均值表3 幅度差的平均值和最大值(θ=90°,Case2)(dB)天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線117.0417.2412.0416.1817.31天線2-32.5618.4815.456.3814.77天線354.0349.9818.8416.2320.50天線429.9052.2139.5713.3716.58天線5-31.6719.91-32.03-45.4111.11天線634.2260.3837.86-44.9453.34最大值平均值表4 相位差的平均值和最大值(θ=90°,Case2)(deg)

2.2 遮擋物對(duì)幅相一致性的影響

真實(shí)的直升機(jī)平臺(tái)有多個(gè)外掛物，天線陣各個(gè)單元很難尋找到遠(yuǎn)離遮擋物的區(qū)域。如圖5所示，在Case2的基礎(chǔ)上，天線1和天線2之間有三個(gè)外掛設(shè)備為遮擋物，設(shè)計(jì)為Case3，其他條件不變。

圖5 測(cè)向天線T型陣

圖6、圖7分析了Case2和Case3在不同裝機(jī)條件下，天線單元之間的幅相一致性差異。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表5、表6。

圖6 天線1與天線2幅度、相位差比較圖(136MHz)

圖7 天線1與天線5幅度、相位差比較圖(136MHz)

天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線12.784.464.524.144.75天線2-7.064.302.522.683.20天線3-13.90-7.462.924.043.64天線4-13.95-6.899.101.932.13天線5-11.016.527.76-4.991.62天線6-13.167.299.666.84-4.88最大值平均值表5 幅度差的平均值和最大值(θ=90°,Case3)(dB)天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線130.8131.4623.6828.7427.78天線271.7733.9424.9317.6222.50天線389.8167.3525.4123.0928.07天線453.4055.49-48.2613.4717.08天線5-49.57-28.83-42.67-54.8212.11天線655.2757.21-50.21-58.3962.87最大值平均值表6 相位差的平均值和最大值(θ=90°,Case3)(deg)

如表5、表6所示，受裝機(jī)遮擋物影響，Case3天線1與其他天線之間的幅相一致性明顯惡化，天線陣布置在相對(duì)空曠區(qū)域更利于改善天線單元間的幅相一致性。

2.3 天線一致性對(duì)幅相一致性的影響

真實(shí)的直升機(jī)天線裝機(jī)時(shí)，受裝機(jī)約束，腹部距離地面近的區(qū)域，對(duì)天線高度要求嚴(yán)格，導(dǎo)致天線存在一致性差異。如圖8所示，在Case3的基礎(chǔ)上，天線1和天線2的高度與其他4個(gè)天線不一致，設(shè)計(jì)為Case4，其他條件不變。

圖8 測(cè)向天線T型陣

如圖9和圖10所示，分析了Case3和Case4在不同裝機(jī)條件下，天線單元之間的幅相一致性差異。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表7、表8。

圖9 天線1與天線2幅度、相位差比較圖(136MHz)

圖10 天線1與天線5幅度、相位差比較圖(136MHz)

天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線13.355.625.964.815.72天線2-17.814.473.612.863.81天線3-25.4310.133.944.353.70天線4-24.97-7.4612.281.942.30天線5-21.156.16-7.59-7.822.03天線6-25.73-9.3611.48-9.715.55最大值平均值表7 幅度差的平均值和最大值(θ=90°,Case4)(dB)天線1天線2天線3天線4天線5天線6天線140.1036.2723.3427.5134.11天線2109.6415.9130.3229.5837.26天線3110.1739.2528.1325.5534.77天線460.7063.24-66.2715.2428.97天線550.36-59.35-67.24-54.8417.42天線6-68.1979.77-63.95-72.3873.33最大值平均值表8 相位差的平均值和最大值(θ=90°,Case4)(deg)

如表7、表8所示，受天線一致性影響，Case4天線1和天線2與其他天線之間的幅相一致性明顯惡化，天線陣單元的一致性更利于改善天線單元間的幅相一致性。

3 結(jié) 論

干涉儀測(cè)向是一種具有較高測(cè)量精度的測(cè)向方法，廣泛應(yīng)用于機(jī)載無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)。由于裝機(jī)后機(jī)體和天線相互作用，天線的電性能參數(shù)變化較大。本文分析了直升機(jī)平臺(tái)特性對(duì)6元T型測(cè)向天線陣性能的影響，通過(guò)對(duì)天線單元之間的幅度一致性和相位一致性的分析，建議在實(shí)際工程中：

1)采用統(tǒng)型天線，并且針對(duì)不同安裝位置進(jìn)行幅度和相位補(bǔ)償設(shè)計(jì)，保證天線一致性；

2)布局在遮擋物少的區(qū)域，降低天線與平臺(tái)之間的相互遮擋影響；

3)布局在相對(duì)平坦的區(qū)域，減少天線安裝面高度差對(duì)天線的影響。

通過(guò)上述措施，改善了天線單元間的幅相一致性，提高了信號(hào)測(cè)向能力。