某机载VHF天线布局优化仿真分析

方金鹏， 梁子长， 武亚君， 张 元

（1.上海市航空航天器电磁环境效应重点实验室；2.电磁散射重点实验室，上海200438）

0 引言

机载VHF天线是无方向性的全向天线，一般安装于飞机机腹或机背位置［1］，主要用于空空、空地通信［2］。天线安装到飞机上后，其辐射特性会受到机身外壳的影响。飞机机体是一个复杂的电磁散射体，由机载天线激励的机体表面电流与天线耦合，改变了天线原有的电磁参数，并构成一个更加复杂的天线，其天线方向图将发生改变。这种电磁兼容性问题在飞机研制过程中必须要考虑，特别是那些用于试验验证等用途的研制改装机，其新增加的外挂设备比较多，机载天线方向图畸变的影响更加突出。针对该类问题，进行严格的理论分析是非常复杂的，试验测试法也不易得到全面与系统的结果，此外试验方法存在耗时耗力的局限性。

文章首先根据机载VHF天线和飞机机体模型，建立载体一体化天线仿真模型，并采用矩量法（MoM）仿真分析飞机机体结构和卫星通信天线罩对机载VHF天线辐射特性的畸变影响［3］，最后确定VHF天线的布局方案和最佳安装位置［4，5］。

1 载体一体化仿真模型

某研制飞机外形结构如图1所示，飞机机身总长度33.4m。

图1 某研制飞机外形结构图

飞机背部距机头18.8m 处安装有一个机载VHF天线，其天线模型如图2所示，由于机载天线小型化设计的需求［6］，该天线设计成如图所示的刀形天线。

图2 某机载VHF天线模型

当机载天线安装到飞机上后，飞机机身的金属表面作为机载天线的地。飞机表面形状、尺寸大小、天线安装位置等都会对天线的性能造成一定程度的影响。此外，机载天线可以视为激励，飞机机体视为辐射体，机身表面形成的二次激励辐射会对机载天线的辐射特性产生影响。因此，机载天线布局优化过程中，应联立机载天线和飞机机体模型，建立载体一体化天线仿真模型。

由于后期研制需求，飞机背部新增卫星通信天线和天线罩。卫星通信天线罩如图3所示，其长宽高尺寸为1.75m×1.5m×0.6m，安装位置在距离机头12 m～13.8 m 处，即安装在机载VHF天线正前方。

图3 卫星通信天线罩模型

2 数值结果与讨论

2.1 VHF天线辐射特性

机载VHF 天线工作频率为118 MHz～136.975MHz，文中选择中心频率127.5MHz作为仿真分析频率。无飞机平台影响时，VHF天线的辐射方向图如图4所示。

图4 VHF天线方向图

从图中明显看出，VHF天线是一个全向天线，在水平面内天线增益不平坦度小于为0.5dB。

2.2 飞机平台对天线辐射特性影响

天线布局方案设计中，VHF天线安装在飞机背部距机头18.8 m 处。联立飞机平台模型，以飞机机身金属表面作为VHF 天线的地，进行载体一体化天线模型仿真。如图5所示为飞机平台及天线罩影响下VHF天线三维辐射方向图及水平面±5°平面内的辐射方向图。

图5 飞机平台对天线方向图影响

从图4和图5两图中可以看出，飞机平台对VHF天线辐射方向图产生一定程度的影响，水平面内天线增益不平坦度达到10dB以上。由于飞机尾翼的遮挡作用，天线方向图在水平面±5°平面内沿尾翼方向出现较大的凹陷；同样由于卫星通信天线罩的影响，VHF天线方向图在机头方向也存在一定的凹陷。

2.3 天线布局优化

VHF天线安装位置在卫星通信天线罩和飞机尾翼之间，因此天线安装位置可优化的范围在14m～23m 之间。天线安装最佳位置应确保天线方向图在水平面的全向性受影响最小。采用MoM 法，分别仿真计算不同安装位置处的天线辐射方向图。

图6 不同安装位置时VHF天线全向性比较

表1 不同安装位置的VHF天线增益最大变化值

如图6和表1所示为不同安装位置时，VHF天线在不同俯仰角下天线增益最大变化值。从图表中可以看出，安装位置位于20.7 m 附近时，VHF天线方向图的全向性最好。这主要因为天线位置越靠前，卫星通信天线罩的遮挡影响越明显，其对天线方向图的全向性影响就越大；天线位置越靠后，飞机尾翼的遮挡影响也越明显，其对天线方向图的全向性影响也越大。

如图7和图8所示为天线安装在20.7m 位置时，VHF 天线的辐射方向图。从图中可以看出，水平面内仅在飞机尾翼方向小角度范围内天线增益不平坦度在8dB左右，其它大部分角度内天线增益不平坦度仅在1dB 左右，基本满足VHF天线的全向性要求。

因此，VHF 天线的合理安装位置应位于20 m～22m 范围内；而20.7 m 附近的位置是天线最佳的安装位置。

图7 VHF天线方向图（安装位置20.7m）

图8 VHF天线水平面二维方向图

3 结束语

本文采用矩量法（MoM）法对某机载VHF天线布局优化进行了仿真分析，得出了飞机平台及新增加的卫星通信天线罩对天线方向图的影响，并确定了VHF 天线安装的最佳位置。文中的机载天线布局分析方法可以为其它机载天线布局优化设计提供参考，而具体的布局方案还需视机型自身的特点进行具体优化。

［1］ 刘付星.机载VHF通信系统干扰研究［D］.广州：华南理工大学，2010.

［2］ 陈玉东，全力民.机载天线及其布局设计要求［J］.航空电子技术，2008，39（3）.

［3］ Harrington R F.Field Computation by Moment Methods［M］.New York：McMillan，1968.

［4］ 姚友雷，王宝发.机载天线电磁兼容及布局分析［J］.航空学报，1994，15（6）.

［5］ 苏东林，王东方，等.机载天线电磁兼容性分析［J］.北京航空航天大学学报，2002，28（2）.

［6］ 储嘉惠.VHF／UHF 机载宽带天线小型化研究［D］.成都：电子科技大学，2006.