民用飛機甚高頻通信天線設(shè)計

郭 磊 宋金澤 /

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

0 引言

VHF通信天線是無線電通信必不可少的組成部分，不但輻射和接收電磁波，同時也是一個能量轉(zhuǎn)換器，是電路與空間的界面設(shè)備。天線發(fā)射時將電路中攜帶信息的能量轉(zhuǎn)換為電磁場能量，以電磁波的形式向空間輻射；在接收時，空間中傳來的攜帶信息的電磁波在天線中感應(yīng)出電流，電磁場能量轉(zhuǎn)換為電能。一方面，VHF通信天線安裝在機身蒙皮上，天線的布置位置、電搭接是否良好、周圍設(shè)備的電磁環(huán)境等都可能影響天線的傳輸性能；另一方面，天線自身的物理特性(如形狀、重量等)、結(jié)構(gòu)強度、固定方式等都可能影響飛機的氣動、操穩(wěn)性能。因此，VHF通信天線設(shè)計必須使得天線的性能滿足民用飛機這一特殊載體，同時要對機體影響有限且可控。隨著安裝在飛機上的機載電子設(shè)備越來越多，機上空間有限、電磁兼容等問題越來越突出[1]，如何設(shè)計符合VHF通信系統(tǒng)性能要求的天線，是天線系統(tǒng)研制的難點和關(guān)鍵技術(shù)，也是目前亟待解決的問題。

1 VHF通信系統(tǒng)簡介

VHF通信屬于視距通信，工作頻率為118.000 MHz～136.975 MHz，有25 kHz和8.33 kHz兩種頻率間隔，通信方式為半雙工信道，通信距離通常為30 km～300 km，可提供塔臺、進近、航站自動情報服務(wù)、航務(wù)管理等服務(wù)。為保證VHF通信的高度可靠，CCAR25 R4[2]第25.1307(d)條要求“兩套雙向無線電通信系統(tǒng)，每套系統(tǒng)的控制裝置可在每個駕駛員的工作位置進行操作，其設(shè)計和安裝需保證一套系統(tǒng)失效時不影響另一套系統(tǒng)工作。允許使用公共的天線系統(tǒng)，只要表明使用后仍具有足夠的可靠性”。民用飛機上一般都裝有2～3 套VHF通信系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由收發(fā)機、天線及與之交聯(lián)的調(diào)諧控制板和音頻控制板組成。

VHF通信天線一般為垂直極化，可全向接收和發(fā)射，通過天線底座周圍的緊固件安裝在機身蒙皮上，可使用加強件加固，如圖1所示。天線的輸入阻抗通常為50 Ω，與VHF收發(fā)機發(fā)射電路的阻抗相匹配，并通過同軸電纜與VHF收發(fā)機組件相連，同軸電纜的電壓駐波比一般不超過2∶1，且連接處有“O”形密封圈密封。VHF通信天線外部結(jié)構(gòu)由玻璃鋼構(gòu)成“刀”型，以減少氣流阻力，內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個嵌在底座上的輻射電磁波的鑄鋼導(dǎo)體，其余內(nèi)部空間由蜂窩狀填充物填充。通常VHF通信天線的MTBF(mean time between failures，平均故障間隔時間，簡稱MTBF) 應(yīng)大于30 000 h。

圖1 VHF通信天線外部結(jié)構(gòu)

2 VHF通信天線設(shè)計要求

VHF通信天線的設(shè)計，既要不降低天線正常工作的要求，又要兼顧天線自身的電性能、氣動、機械以及對其它天線的影響等各方面。VHF通信天線設(shè)計要求，簡要歸納如下：

1)天線選擇原則

天線使用的材料、零部件和工藝都應(yīng)滿足規(guī)定。HB/Z 86-85[3]規(guī)定了天線外部結(jié)構(gòu)的所有材料應(yīng)經(jīng)受各種液體綜合浸漬而不會發(fā)生永久性電氣和機械性損傷。

2)總體布置設(shè)計原則

(1) 盡量減小對飛機結(jié)構(gòu)及其它系統(tǒng)的影響；

(2) 盡量不影響外部標記；

(3) 盡量減小因天線安裝導(dǎo)致的增重；

(4) 不影響地勤維護、貨物裝卸；

(5) 避免影響已完成的驗證試驗項目。

3)氣動干擾影響

(1) 應(yīng)避免將天線布置于其它外部突出物后部，減少相互之間氣動力影響，避免天線受到復(fù)雜氣流的干擾；

(2) GJB 5035-2001[4]中3.6.3規(guī)定：設(shè)計天線的外形時，使其在飛機上安裝使用所引起的氣動阻力盡可能小。

4)結(jié)構(gòu)安裝要求

(1) 應(yīng)避免將天線布置于蒙皮化銑區(qū)域；

(2) 為減少極化損失，應(yīng)盡量將天線布置于機身等直段對稱中心線或附近；

(3)天線與所有金屬零件之間有意設(shè)計配合的導(dǎo)電表面，應(yīng)清除材料表面的氧化膜、油層、漆或其他高阻薄膜。

5)電磁兼容要求

(1) VHF通信天線與其它天線之間的隔離度應(yīng)足夠高以避免同頻干擾；

(2) 對于系統(tǒng)間同頻干擾，不僅要考慮系統(tǒng)間的帶內(nèi)干擾，還要考慮系統(tǒng)間的帶外干擾；

(3) 不僅要考慮基波干擾，還要考慮諧波干擾、由于信號間互調(diào)與交調(diào)引起的雜波干擾以及可能的寬帶干擾。

6)特殊風(fēng)險要求

應(yīng)避免將天線布置于轉(zhuǎn)子爆破、輪胎爆破等特殊風(fēng)險影響區(qū)域。

3 VHF通信天線設(shè)計的工程實例

下面以某型號工程實例來闡述VHF通信天線的設(shè)計過程。

3.1 天線的選擇

不同的VHF通信天線都具有相似的電性能指標，通過相同的環(huán)境鑒定試驗，但仍需注意不同的天線在制造工藝方面的差異：

1) 應(yīng)盡量選擇VHF通信天線鰭到底座過渡光滑的天線，減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力，某型天線的橫向結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示；

圖2 VHF通信天線橫向結(jié)構(gòu)剖面圖

2) 應(yīng)選擇鑄造工藝良好的VHF通信天線，避免內(nèi)部氣泡過多降低天線強度。

另外，VHF通信天線還應(yīng)滿足DO 160的環(huán)境鑒定試驗，表1給出了某型VHF通信天線DO 160 E環(huán)境鑒定試驗結(jié)果。

表1 某型VHF通信天線DO 160 E環(huán)境鑒定試驗結(jié)果

3.2 天線的布置

VHF通信天線的布置可采用光學(xué)方法，電磁波和光的效應(yīng)是一樣的，即天線若在物理上有可見的遮擋，那么對信號的傳輸就會有影響，如折射、反射、干擾和繞射等。VHF通信天線一般在機身上方和下方都要求至少安裝一套，以滿足信號全方位良好覆蓋的要求。圖3給出了常見機型VHF通信天線的布置。天線的布置應(yīng)避開聚集水和其它液體的位置。此外，應(yīng)避免因飛沙、碎石、泥土、雪等起飛或著陸時揚起而引起物理上的損壞。

(a)波音737中VHF通信天線布置

(b)波音777中VHF通信天線布置

(c)A300中VHF通信天線布置

(d)A330中VHF通信天線布置

(e)A340中VHF通信天線布置

(f)ERJ190中VHF通信天線布置圖3 常見機型VHF通信天線的布置

VHF通信天線布置的位置應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)要求。GJB 5035-2001中的3.7.4條與GJB 2746-96[5]中的3.3.3條規(guī)定：天線應(yīng)能承受規(guī)定的環(huán)境條件下的臨界最大極限載荷(極限載荷為設(shè)計載荷的1.5倍)。根據(jù)供應(yīng)商提供的VHF通信天線的三維數(shù)模，需分析計算出天線需要承受的最大側(cè)向載荷(垂直于天線剖面的最大啟動力，單位為N，載荷分布情況為均勻分布)。將計算出的最大側(cè)向載荷數(shù)據(jù)與VHF通信天線設(shè)計指標對比，確保VHF通信天線強度滿足要求。另外，此側(cè)向載荷數(shù)據(jù)還將用于設(shè)計機身蒙皮下方的天線底座加強件。

VHF通信天線的布置應(yīng)與外部輻射源及其它分系統(tǒng)、發(fā)動機、起落架等保持足夠的距離。機載電子設(shè)備可能因有寄生輻射、輻射能量的屏蔽、分系統(tǒng)阻抗的改變、諧振或反諧振而導(dǎo)致天線不能正常工作。另外，VHF通信天線的布置還應(yīng)考慮地面遮擋的影響。機組人員在航線運營中使用第一套VHF通信系統(tǒng)進行ATC(air traffic control，空中交通管制，簡稱ATC)通信，若第一套VHF通信天線布置在機腹下，則存在通信被遮擋的可能。早期波音737飛機上就發(fā)生過此種情況，波音公司曾在2004年發(fā)出服務(wù)通告(編號：SHA-25R1)建議在地面使用機身上方的VHF通信天線作為地面的主ATC通信，后續(xù)波音737機型對VHF通信天線的布置進行了調(diào)整(如圖3)：機身下方天線連接第二套VHF收發(fā)機，機身上方天線連接第一套VHF收發(fā)機。

下面以某型飛機VHF通信天線布置(圖4中1～4區(qū))為例分析。VHF通信需要與地面塔臺進行可靠的雙向通信，VHF通信天線一般為單極子、垂直化天線，要求對機身上部空間和下部空間都要有良好的覆蓋。初步考慮將第一、二套VHF通信天線分布機身上下(如圖4中所示1區(qū)和2區(qū))，第三套VHF通信天線有3區(qū)和4區(qū)可選。3區(qū)靠近垂尾的區(qū)域由于垂尾遮擋，將導(dǎo)致該區(qū)域方向圖發(fā)生畸變。4區(qū)安裝天線擦地風(fēng)險較大：著陸時很可能損壞天線，且該位置有很多口蓋，故建議將第三套天線布置在3區(qū)遠離垂尾區(qū)域。此時機身上方的兩套天線同側(cè)，要避免兩者距離過近及被垂尾遮擋。

圖4 某型號飛機VHF通信天線的布置分析

3.3 天線的方向圖及隔離度仿真分析

方向圖是衡量天線傳輸有用信號效能的重要指標。當(dāng)天線安裝到機體上后，由于散射、輻射源的互耦作用，天線輻射方向圖可能會畸變，則此處通信效果較差。VHF通信天線一種常見形式是由帶狀線并聯(lián)諧振電路和加感線圈的彎曲單極天線構(gòu)成，天線高度小于1/8波長。為避免天線方向圖在滾轉(zhuǎn)面內(nèi)的傾斜，天線一般都垂直安裝在飛機的中心線上。VHF通信天線的輻射方向圖在方位上必須是全方向性的，且最弱方位的零值深度不得超過20 dB。對單個天線來說，最強的輻射區(qū)域應(yīng)在飛機下方相對水平面45°的范圍內(nèi)；對成對的天線來說，應(yīng)在相對水平面±45°范圍(飛機的機身軸線即在這個水平面內(nèi))內(nèi)。另外，對飛機兩側(cè)方向圖的覆蓋同前后方向覆蓋一樣重要。當(dāng)方向圖覆蓋范圍對上下都有要求時，應(yīng)優(yōu)先考慮飛機下方的覆蓋范圍。

VHF通信天線方向圖仿真分析首先要建立一個全機的表面模型，這是因為VHF通信天線工作的頻率為118 MHz～156 MHz，而對材料為鋁或碳纖維材料的機身，VHF通信天線的輻射場只會在機體材料的表面激起一層很薄的感應(yīng)電流。通常使用CATIA軟件建立一個全機的三維模型，對建立的內(nèi)部可能存在大量縫隙和交疊面的全機三維模型進行修復(fù)和重建，去除其中的縫隙和交疊面，建立一個適用于電磁場仿真計算的三維幾何表面網(wǎng)格模型。然后對該模型進行典型的VHF通信天線站位劃分，再采用FEKO軟件計算這些站位上VHF通信天線的輻射特性，最終可得三個主平面上VHF通信天線的方向圖。

(1)

采用FEKO對不同站位上VHF通信天線兩兩間的參數(shù)進行掃頻計算，并由式(1)可得VHF通信天線兩兩間隔離度的頻響特性，則其中隔離度值較小的站位，VHF通信天線間的同頻干擾較小，可作為天線預(yù)布置的選擇位置。

3.4 天線的安裝及功能驗證

VHF通信天線安裝位置確定后，應(yīng)按照工藝規(guī)范規(guī)定的螺栓定力安裝天線，天線可以通過與表面處理過的機身蒙皮直接接觸進行搭接，同時也可以通過安裝螺釘以及導(dǎo)電密封膠與機身蒙皮進行搭接，以滿足天線射頻搭接要求。在大多數(shù)情況下，為防止機載電子系統(tǒng)雷擊，天線的接地十分必要。經(jīng)驗表明，一般天線的接地電阻應(yīng)不超過0.5 mΩ。HB5876-85[6]規(guī)定，應(yīng)盡可能避免將天線布置在艙門、口蓋、蒙皮間斷部位和其它不規(guī)則的機體附近。需要注意的是，飛機表面一般為帶有弧度的曲面，而天線底座一般為平底，在安裝時底座和蒙皮會有彎曲形變。為避免應(yīng)力集中，有的機型需要將安裝處的蒙皮進行平整化，或直接露出蒙皮開口的天線加強件，如圖5所示。

圖5 某型號飛機蒙皮表面與平底天線底座落差示意圖

為驗證VHF通信天線在飛機與飛機、飛機與地面雙向通信功能正常，通常要對VHF通信系統(tǒng)進行機上功能試驗。有條件的情況下可以與地面塔臺進行VHF通信；條件不允許時，可考慮使用便攜式的VHF航空電臺和手持Mic與飛機進行VHF通信，以檢測VHF通信天線設(shè)計的正確性，如圖6所示。

(a)VHF航空電臺

(b)手持Mic圖6 某型號VHF航空電臺及手持Mic

4 結(jié)論

民用飛機VHF通信天線的設(shè)計既要考慮天線本身的技術(shù)性能要求，又要盡量減少對飛機結(jié)構(gòu)的影響，減少飛機額外增加的氣動阻力和結(jié)構(gòu)件的載荷，還要考慮維護性、安全性、可接近性等諸多因素，是一個綜合設(shè)計的過程。民用飛機是一個VHF通信天線安裝的特殊載體平臺，隨著大量的天線布置在有限的機體上，且工作頻段相互重疊，電磁環(huán)境更加惡劣，如何采取有效的方法對VHF通信天線進行設(shè)計，將具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的應(yīng)用價值。