機(jī)載隱蔽式垂尾高頻天線輻射場(chǎng)特性分析

方金鵬, 陳奇平, 梁子長(zhǎng), 張 元

(環(huán)境電磁特征國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200438)

0 引言

短波通信由于其固有的應(yīng)用范圍廣、作用距離遠(yuǎn)等特性[1],廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代大型飛機(jī)遠(yuǎn)距離視距外通信領(lǐng)域。機(jī)載短波通信是現(xiàn)代各種飛機(jī)完成各項(xiàng)任務(wù)、保障飛行安全的重要手段。機(jī)載高頻天線作為短波通信中的關(guān)鍵部件,對(duì)飛機(jī)各系統(tǒng)的性能都會(huì)產(chǎn)生影響。目前,機(jī)載高頻天線有多種形式,其中隱蔽式的回線天線具有多方面的優(yōu)點(diǎn):損耗相對(duì)較小、效率相對(duì)較高,而且不影響處于垂尾前緣處的防冰氣囊,因此得到廣泛的應(yīng)用。

盡管如此,機(jī)載高頻天線在工作時(shí),機(jī)身結(jié)構(gòu)會(huì)改變天線原來的輻射特性,同時(shí)機(jī)身會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電磁流,產(chǎn)生二次輻射,并使機(jī)身處于機(jī)載高頻天線的輻射場(chǎng)內(nèi)[2]。因此,飛機(jī)上關(guān)鍵部件,如機(jī)翼加油口或發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口,是否能夠承受感應(yīng)電磁流和天線輻射場(chǎng)的干擾而正常地、安全地工作,這是一個(gè)亟需解決的關(guān)鍵問題。因此,飛機(jī)研制生產(chǎn)前就需要對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行研究分析,避免造成不必要的成本浪費(fèi)和時(shí)間延誤。

本文主要對(duì)機(jī)載垂尾高頻天線進(jìn)行精確的電磁建模,并用天線模型的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,將其與飛機(jī)整機(jī)模型進(jìn)行復(fù)合仿真計(jì)算,分析關(guān)鍵部件處的輻射場(chǎng)特性。

1 仿真方法

1.1 電磁建模方案

精確地對(duì)飛機(jī)這樣復(fù)雜形體進(jìn)行整體電磁建模是后續(xù)進(jìn)行數(shù)值分析的前提和關(guān)鍵技術(shù)步驟。垂尾高頻天線作為整個(gè)仿真中的輻射源,其電磁模型的準(zhǔn)確性將較大地影響飛機(jī)表面附近的輻射場(chǎng)強(qiáng)。建模過程中,根據(jù)飛機(jī)天線模型天線輸入阻抗的測(cè)試數(shù)據(jù),對(duì)垂尾高頻天線的幾何結(jié)構(gòu)、饋電電壓、蒙皮電導(dǎo)率、蒙皮厚度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,最終得到較為準(zhǔn)確的仿真模型。然后,無縫拼接飛機(jī)模型和天線模型,并在一定精度范圍內(nèi)修改拼接處的幾何結(jié)構(gòu)。最后,采用精度較高的矩量法對(duì)復(fù)合模型進(jìn)行仿真計(jì)算[3,4],并分析飛機(jī)關(guān)鍵位置處的輻射場(chǎng)強(qiáng)特性。

圖1所示為機(jī)載垂尾高頻天線輻射特性的仿真框圖。圖中,飛機(jī)外形二次幾何建模:

a)建立對(duì)稱性模型;

b)局部幾何模型細(xì)化;

c)與天線幾何模型拼接及幾何修正。

圖1 機(jī)載垂尾高頻天線輻射特性的仿真框圖

本文主要的仿真工作包括:

a)飛機(jī)模型區(qū)域細(xì)化處理,并對(duì)離天線較近的垂直尾翼、水平尾翼邊沿進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化;

b)建立與飛機(jī)整機(jī)模型拼接的天線模型,并根據(jù)天線輸入阻抗的測(cè)試數(shù)據(jù),對(duì)天線模型的參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算和優(yōu)化;

c)利用模型的YZ面對(duì)稱性進(jìn)行對(duì)稱處理,以減小仿真計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的消耗,并縮減仿真時(shí)間,圖2所示為某飛機(jī)的對(duì)稱幾何模型和高頻天線安裝位置的局部幾何示意圖;

d)采用精度較高的矩量法,在短波頻段內(nèi)對(duì)飛機(jī)模型進(jìn)行仿真計(jì)算,獲得關(guān)鍵位置處的輻射場(chǎng)分布。

1.2 機(jī)載天線輸入阻抗測(cè)試

天線是無線通信系統(tǒng)最基本的部件,一定程度上決定了通信系統(tǒng)的特性。而評(píng)定天線的性能就需要對(duì)天線的方向圖、增益、輸入阻抗、駐波比、極化等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。其中,天線系統(tǒng)的輸入阻抗和駐波比直接影響天線的發(fā)射效率。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,在天線饋電點(diǎn)處測(cè)試整個(gè)短波頻段內(nèi)的天線輸入阻抗。圖3所示為垂尾隱蔽式高頻天線輸入阻抗測(cè)量示意圖。

圖2 某飛機(jī)的幾何模型

圖3 垂尾隱蔽式高頻天線輸入阻抗測(cè)試示意圖

2 數(shù)值結(jié)果與討論

2.1 機(jī)載天線參數(shù)估算

天線仿真模型中縫隙參數(shù)選擇為:天線的縫隙寬度 w=200 mm;饋電的縫隙寬度B=150mm。根據(jù)隱藏式垂尾高頻天線實(shí)物模型,選擇其中與仿真模型最為接近的天線模型,其中天線的縫隙寬度w=190mm;饋電的縫隙寬度B=190mm,進(jìn)行輸入阻抗測(cè)試。仿真過程中不斷與測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,并對(duì)天線模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,最后選取合適的天線模型參數(shù):蒙皮電導(dǎo)率為2×10-5S/m;蒙皮厚度為2 mm。

表1所示為仿真結(jié)果和天線模型測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表。從表中可以看出,仿真結(jié)果和天線模型測(cè)試數(shù)據(jù)的取值范圍基本一致,均表現(xiàn)為兩端工作頻率段小,中間大的變化趨勢(shì),但最大阻抗的頻率不同。

表1 仿真結(jié)果和天線模型測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表

圖4所示為單位饋電電壓時(shí)天線的輸入功率對(duì)比圖,其中天線模型的輸入功率是由測(cè)試的輸入阻抗計(jì)算得到的。從圖中可以明顯看出,單位饋電電壓時(shí)高頻天線的輸入功率的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果有比較好的吻合度。

為估算天線饋電電壓的大小,取單位饋電電壓時(shí),天線的輸入功率為0.3 mW。由于實(shí)際工作時(shí),天線的最大輸入功率為175W,在假定無損耗的情況下,實(shí)際工作時(shí),天線的饋電電壓約為750 V。

2.2 關(guān)鍵部件處輻射場(chǎng)仿真結(jié)果

圖4 單位饋電電壓時(shí)天線輸入功率的對(duì)比圖

經(jīng)過對(duì)高頻天線的幾何建模以及參數(shù)的估算后,就可以對(duì)飛機(jī)關(guān)鍵部件處的輻射場(chǎng)進(jìn)行有效的仿真計(jì)算,所得結(jié)果可以驗(yàn)證高頻天線的設(shè)計(jì)是否滿足當(dāng)初預(yù)期的設(shè)計(jì)要求,并為飛機(jī)的電磁兼容問題提供一些參考依據(jù)。

在短波頻段內(nèi)選取幾個(gè)典型的頻率點(diǎn)進(jìn)行仿真,計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口附近的場(chǎng)強(qiáng)。圖5所示為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口附近的場(chǎng)強(qiáng)幅值與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口附近最大場(chǎng)強(qiáng)幅值示意圖

從圖中可以明顯看出,工作頻率在9.5 MH z和26 MH z時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口附近的最大場(chǎng)強(qiáng)幅值出現(xiàn)峰值,分別為166 dBμV/m 、159 dBμV/m。如果該場(chǎng)強(qiáng)峰值超過了預(yù)期設(shè)計(jì)的安全閾值,則高頻天線的設(shè)計(jì)不符合預(yù)期的要求。

圖6所示為工作頻率在9.5 MHz時(shí),距離發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口口面3 cm處的場(chǎng)強(qiáng)分布圖,其中圖中的場(chǎng)強(qiáng)值是以饋電電壓為1 V時(shí)的仿真數(shù)值。仿真結(jié)果可以為設(shè)計(jì)者提供參考依據(jù),分析其是否滿足預(yù)期設(shè)計(jì)的要求。

圖6 9.5M Hz時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口附近的場(chǎng)強(qiáng)分布圖

3 結(jié)論

本文通過對(duì)飛機(jī)天線模型高頻天線輸入阻抗進(jìn)行測(cè)試,并根據(jù)測(cè)試結(jié)果,對(duì)機(jī)載垂尾隱蔽式高頻天線進(jìn)行較精確的電磁建模。然后拼接飛機(jī)整機(jī)電磁模型和天線模型,采用矩量法對(duì)其復(fù)合模型進(jìn)行仿真計(jì)算,分析了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口附近等關(guān)鍵位置的場(chǎng)強(qiáng)分布。上述仿真結(jié)果可以為飛機(jī)安全設(shè)計(jì)和飛機(jī)電磁兼容問題提供參考依據(jù)。

[1] 董彬虹,李少謙.短波通信的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].信息與電子工程,2007,5(1).

[2] 梁福生,王廣學(xué).飛機(jī)天線工程手冊(cè)[S].北京:中國(guó)民航出版社,1997.

[3] 聶在平,方大綱.目標(biāo)與環(huán)境電磁散射特性建模[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009.

[4] Harrington R F.Field Computation by Moment M ethods[M].New York:M cM illan,1968.