一種降低機(jī)體對(duì)天線(xiàn)方向圖影響的多天線(xiàn)應(yīng)用方案*

芮 錫，鐘志浩，李從周

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

0 引 言

機(jī)載超短波通信主要是完成飛機(jī)與飛機(jī)、飛機(jī)與地面目標(biāo)、飛機(jī)與海面目標(biāo)之間的視距通信。機(jī)載超短波天線(xiàn)通常采用刀型天線(xiàn)，安裝在機(jī)背或機(jī)腹，形成方位面全向輻射的垂直極化方向圖[1]。為了保證通信效果，要求天線(xiàn)增益盡量高，天線(xiàn)裝機(jī)后機(jī)身對(duì)天線(xiàn)方向圖輻射畸變影響盡量小。通常天線(xiàn)布置在機(jī)背、機(jī)腹的中軸線(xiàn)上，或者布置在垂尾頂部，盡量減少機(jī)身對(duì)天線(xiàn)方向圖的遮擋影響[2-3]。由于天線(xiàn)工作頻率低，且天線(xiàn)為方位全向輻射，天線(xiàn)輻射受機(jī)身影響大，為達(dá)到比較優(yōu)的裝機(jī)輻射性能，往往要做大量天線(xiàn)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。受限于天線(xiàn)裝機(jī)的條件及飛機(jī)的外形，優(yōu)化設(shè)計(jì)后天線(xiàn)方向圖在部分區(qū)域依然比較差，影響通信性能。在天線(xiàn)布局設(shè)計(jì)優(yōu)化后，通過(guò)全尺寸模型靜態(tài)測(cè)試或者飛行測(cè)試[4]，針對(duì)實(shí)際測(cè)試摸底數(shù)據(jù)評(píng)估并制定相關(guān)后續(xù)飛行策略，盡量避免天線(xiàn)方向圖畸變導(dǎo)致超短波通信鏈路中斷。

本文結(jié)合運(yùn)輸機(jī)超短波通信高可靠性的需求，基于天線(xiàn)裝機(jī)后多天線(xiàn)仿真對(duì)比，分析多種天線(xiàn)使用策略，改善由于天線(xiàn)裝機(jī)帶來(lái)的增益低、覆蓋率低等問(wèn)題，滿(mǎn)足多鏈路高可靠通信使用要求。

1 使用場(chǎng)景分析

1.1 超短波通信鏈路

超短波天線(xiàn)的接收功率反應(yīng)了超短波通信的能力。超短波通信接收功率計(jì)算公式如下[5]：

Pr=Pt+Gt+Gr-(Lp+Lt+Lr) 。

式中：Pt為發(fā)射機(jī)輸出功率，Gt為發(fā)射機(jī)天線(xiàn)增益，Gr為接收機(jī)天線(xiàn)增益，Lt為發(fā)射機(jī)饋線(xiàn)損耗，Lr為接收機(jī)饋線(xiàn)損耗，Lp為自由空間傳播損耗。通信時(shí)接收功率需大于接收機(jī)靈敏度。

根據(jù)鏈路公式，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)載超短波通信，對(duì)于機(jī)載發(fā)射模式，可以通過(guò)提高發(fā)射功率和機(jī)載天線(xiàn)增益來(lái)保證通信鏈路指標(biāo)；對(duì)于機(jī)載接收模式，可以通過(guò)提高接收機(jī)靈敏度和機(jī)載天線(xiàn)增益等措施來(lái)保證通信鏈路指標(biāo)[6]。由于裝機(jī)條件的限制，一般對(duì)機(jī)載超短波電臺(tái)的發(fā)射功率要求比較嚴(yán)格，大功率發(fā)射會(huì)對(duì)電臺(tái)的散熱、功耗、裝機(jī)空間和裝機(jī)重量帶來(lái)影響，同時(shí)對(duì)電磁兼容影響也比較大。接收機(jī)靈敏度受限于器件的水平，也很難提升。為了保證超短波通信鏈路的高可靠性，主要是通過(guò)提高天線(xiàn)增益，保證通信鏈路性能指標(biāo)。

1.2 天線(xiàn)裝機(jī)的遮擋分析

一般對(duì)于機(jī)載超短波電臺(tái)，一路通信鏈路配置一根天線(xiàn)，天線(xiàn)布置在機(jī)背、機(jī)腹中軸線(xiàn)或垂尾頂端[7]。天線(xiàn)裝機(jī)后，方向圖畸變主要受兩方面影響：一是機(jī)身表面對(duì)天線(xiàn)方向圖的耦合影響引起方向圖變化；二是機(jī)身表面其他的遮擋物及機(jī)身自身遮擋對(duì)方向圖的影響引起方向圖變化。

1.2.1 機(jī)身表面耦合

天線(xiàn)裝機(jī)后，由于超短波天線(xiàn)為方位全向單極子天線(xiàn)形式，機(jī)身表面作為輻射地板參與輻射，天線(xiàn)方向圖受機(jī)身影響發(fā)生畸變。通過(guò)三維電磁仿真軟件對(duì)天線(xiàn)裝機(jī)后方向圖進(jìn)行仿真。機(jī)身模型如圖 1所示，為某型運(yùn)輸機(jī)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的外表皮模型。在仿真過(guò)程中，機(jī)身表面設(shè)為閉合面，邊界條件近似視為良導(dǎo)體。如表 1所示，單天線(xiàn)裝機(jī)后，通過(guò)全機(jī)蒙皮與天線(xiàn)整體評(píng)估，在超短波工作的不同頻點(diǎn)上都發(fā)生不同程度的方向圖畸變。

圖1 天線(xiàn)裝機(jī)模型

表1 天線(xiàn)裝機(jī)前后方向圖變化

1.2.2 機(jī)身遮擋

在運(yùn)輸機(jī)模型機(jī)背前部中軸線(xiàn)布置一個(gè)超短波天線(xiàn)，通過(guò)三維電磁仿真軟件仿真評(píng)估225 MHz頻率下的裝機(jī)方向圖。仿真過(guò)程中，機(jī)身表面邊界條件視良導(dǎo)體，超短波天線(xiàn)為與機(jī)身表面通過(guò)線(xiàn)源相連接并作為饋源。

如圖2和圖3所示，天線(xiàn)裝機(jī)后方向圖(水平面)發(fā)生明顯的變化。

圖2 天線(xiàn)裝機(jī)后三維方向圖(225 MHz)

圖3 天線(xiàn)裝機(jī)后方向圖與單天線(xiàn)方向圖對(duì)比(水平面，225 MHz)

圖 3給出了水平面上方位一圈的天線(xiàn)增益方向圖，其中方位角φ=0°表示機(jī)尾方向，φ=180°表示機(jī)頭方向。受機(jī)身和垂尾的遮擋，在機(jī)尾方向天線(xiàn)增益方向圖產(chǎn)生明顯的凹陷(凹陷6 dB)，對(duì)超短波通信鏈路帶來(lái)嚴(yán)重的惡化，影響通信速率和通信距離；機(jī)頭方向沒(méi)有遮擋物，天線(xiàn)方向圖未發(fā)生畸變，不影響超短波通信鏈路。

一般大型運(yùn)輸機(jī)在飛行高度3～8 km、通信距離大于100 km時(shí)，無(wú)論是空空通信還是空面(地面、海面)通信，通信鏈路主要使用機(jī)載天線(xiàn)在水平面的增益方向圖[8]。根據(jù)圖3仿真結(jié)果，在機(jī)尾方向方向圖惡化6 dB左右，直接導(dǎo)致通信距離降低一半。

2 多天線(xiàn)使用方法

對(duì)于一般的小型機(jī)載平臺(tái)，一般只有一路超短波通信鏈路，機(jī)上只布置一個(gè)超短波天線(xiàn)，因此天線(xiàn)裝機(jī)后方向圖的惡化會(huì)導(dǎo)致通信鏈路的中斷，工程中很難解決。而對(duì)于大型機(jī)載平臺(tái)，如運(yùn)輸機(jī)等，一般都配了多條超短波通信數(shù)據(jù)鏈[9]，可采用多天線(xiàn)方向圖互補(bǔ)和組陣兩種方式提高天線(xiàn)空域覆蓋性，彌補(bǔ)天線(xiàn)受裝機(jī)影響而造成的方向圖惡化。圖4所示為某型運(yùn)輸機(jī)超短波天線(xiàn)布局示意圖,機(jī)背布置4副超短波天線(xiàn)UV_up 1～4，間距均為1 m；機(jī)腹布置2副超短波天線(xiàn)UV_down 1～2，間距為6 m，并且UV_down1和UV_down2之間布置有直徑1.5 m的半球形遮擋物。

圖4 超短波天線(xiàn)布局示意圖

2.1 天線(xiàn)方向圖互補(bǔ)

機(jī)腹超短波天線(xiàn)在頻點(diǎn)為225 MHz時(shí)的二維、三維方向圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 天線(xiàn)裝機(jī)三維方向圖

(a)down1、down2水平面方向圖

(b)down1+down2水平面方向圖圖6 天線(xiàn)二維方向圖(θ=90°)

由于UV_down1和UV_down2之間布置有直徑1.5 m的半球形傳感器，如圖 6(a)所示，UV_down1的后向和UV_down2的前向均受傳感器遮擋，增益下降5～10 dB，單天線(xiàn)使用無(wú)法覆蓋水平全向(0°≤φ≤360°)。為提高天線(xiàn)覆蓋率，采用多天線(xiàn)方向互補(bǔ)技術(shù)，使用UV_down1和UV_down2同時(shí)接收超短波頻段信號(hào)，選擇信號(hào)強(qiáng)度更大的使用，如圖 6(b)所示，UV_down1和UV_down2方向圖互補(bǔ)后，在水平面無(wú)凹陷，可以覆蓋水平全向(0°≤φ≤360°)。

2.2 天線(xiàn)組陣使用

UV_up1～4布置于機(jī)背，其中UV_up1工作在225 MHz時(shí)，裝機(jī)方向圖如圖7所示，受垂尾遮擋，在后向±30°內(nèi)增益下降5～10 dB，同樣單天線(xiàn)無(wú)法滿(mǎn)足功能使用要求。

(a)UV_up1三維方向圖

如圖8所示，UV_up1～4等間距(d=1 m)排布，陣列掃描方向?yàn)棣龋捎诿恳粏卧妮椛鋱?chǎng)在波程上比前一單元相位領(lǐng)先kΔr=kdcosθ，設(shè)每一單元的電流相位都比前一單元落后Ψ，即相鄰單元相位差為Ψ，則相鄰陣元的輻射場(chǎng)在遠(yuǎn)場(chǎng)合成時(shí)相位差um=kdcosθ+Ψ。根據(jù)天線(xiàn)陣元疊加原理，當(dāng)um=0時(shí)，各場(chǎng)同相疊加，形成最大值，那么Ψ=-kdcosθ。

圖8 四元陣示意圖

根據(jù)波束掃描原理，在陣元后端引入移相器，通過(guò)移相器改變相鄰單元初始相位差Ψ，可以使得UV_up1～4合成后的方向圖在方向θ為最大值[10]。

UV_up1～4組陣使用后的四種典型情況如圖9～12所示。

圖9 提升機(jī)翼兩側(cè)增益的水平面方向圖

圖10 提升機(jī)頭增益的水平面方向圖

圖11 提升機(jī)身周?chē)鲆娴乃矫娣较驁D

圖12 提升機(jī)尾增益的水平面方向圖

相比較于單天線(xiàn)UV_up1，圖9合成后方向圖在機(jī)翼兩側(cè)(70°≤φ≤100°，260°≤φ≤280°)，增益有明顯提高，最大提升6.5 dB；圖10合成后方向圖在機(jī)頭(140°≤φ≤220°)，增益有明顯提高，最大提升5 dB；圖11合成后方向圖在機(jī)身(35°≤φ≤65°，115°≤φ≤145°，215°≤φ≤245°，295°≤φ≤325°)，增益有明顯提高，最大提升4.5 dB；圖12合成后方向圖在機(jī)尾(-45°≤φ≤45°)，增益有明顯提高，最大提升5 dB，天線(xiàn)組陣后仍受垂尾遮擋，但后向是增益有整體提高，提高后可滿(mǎn)足功能要求。

綜上所述，通過(guò)靈活調(diào)整多天線(xiàn)的相位，可以實(shí)時(shí)調(diào)整天線(xiàn)波束指向，天線(xiàn)增益可比原單天線(xiàn)增加5～6 dB，通信距離可提升約一倍。多天線(xiàn)的使用前提是取消獨(dú)立天線(xiàn)或者專(zhuān)用天線(xiàn)，天線(xiàn)作為一種公共資源為機(jī)載射頻系統(tǒng)服務(wù)提供更高增益、更優(yōu)的空域覆蓋能力，保障通信概率。多天線(xiàn)使用依據(jù)機(jī)載平臺(tái)特性和功能鏈路指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析和使用策略設(shè)計(jì)，可改善和提升通信性能。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合運(yùn)輸機(jī)超短波通信需求，基于天線(xiàn)裝機(jī)后多天線(xiàn)仿真分析多天線(xiàn)使用方法。與單天線(xiàn)相比，多天線(xiàn)方向互補(bǔ)技術(shù)能提高天線(xiàn)空域覆蓋性，改善由于遮擋導(dǎo)致的增益降低，實(shí)現(xiàn)方位面全向覆蓋。通過(guò)天線(xiàn)組陣使用，在不同工作模式下能顯著提高增益，提升通信距離，降低機(jī)體對(duì)天線(xiàn)方向圖的影響。