基于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的機載共形天線設計

楊 勇

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

1 引 言

傳統(tǒng)的超短波天線多為桿天線、刀天線等外凸式天線[1]，這種天線由于凸出機身外形而破壞了飛行器氣動面，給飛行器帶來了一定的氣動阻力，且由于這種天線受氣動載荷的直接作用，天線本身特別是天線與機體的連接在氣動載荷的作用下極易產(chǎn)生斷裂等故障。隨著現(xiàn)代飛行器對飛行速度、隱身性、可靠性等要求的逐步提高，如何克服外凸式超短波天線的上述缺點顯得尤為迫切，而共形天線技術(shù)的出現(xiàn)，為解決上述問題提供了可能。

共形天線是將天線與飛行器機體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)共形一體化設計的一類天線，該類天線在保證天線電性能的前提下，維護了飛行器氣動外形的完整性，提高了飛行器氣動特性，也提高了天線本身的可靠性。同時，復合材料尤其是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代飛行器上已經(jīng)得到廣泛使用，而復合材料特別是玻璃鋼的透波率要遠遠優(yōu)于金屬材料，天線也可以作為復合材料的一個鋪層嵌入其中，這就為機載共形天線的應用及發(fā)展提供了絕佳的條件。

共形天線的關(guān)鍵是天線單元，天線單元目前研究較多的有微帶天線、縫隙天線、偶極子天線等。微帶天線(如圖1所示)由接地平面、介質(zhì)基片與微帶單元組成，具有體積小、重量輕、剖面低、能與載體共形的優(yōu)點，但也有帶寬窄、損耗大、功率容量小的缺點，通過一定的技術(shù)如增加基板厚度可以增加帶寬寬度，但也只能增加約30%[2]。

圖1 微帶天線結(jié)構(gòu)示意圖

縫隙天線(如圖2所示)又稱為開槽天線，是在導體面上開槽，饋電后形成輻射。根據(jù)開槽方向的不同，可分為3種類型：橫向單元開槽、縱向單元開槽、斜向開槽。選擇不同的開槽方向、開槽形狀及尺寸、開槽間距及相對位置等，可產(chǎn)生不同形狀的天線方向圖。飛行器縫隙天線的主要缺點是帶寬較窄，只有5%左右。

圖2 縫隙天線結(jié)構(gòu)示意圖

偶極子天線(如圖3所示)是使用最早、應用最廣泛的一種天線，由一對對稱放置的導體構(gòu)成，導體相互靠近的兩端分別與饋電線相連。用作發(fā)射天線時，電信號從天線中心饋入導體；用作接收天線時，在天線中心從導體中獲取接收信號。

圖3 偶極子天線示意圖

2 天線設計

2.1 共形天線方案設計

本方案選用變形的折合振子天線形式。為展寬普通偶極子的頻帶寬度，常用一個金屬板或金屬片代替原來的天線桿以修正其結(jié)構(gòu)。矩形偶極子便是利用這種修正方法由單極子演化得到的，其相對帶寬比偶極子要寬得多。該方案中，共形天線輻射體為矩形偶極子天線的進一步變形，通過調(diào)整矩形偶極子的長寬比獲得更平滑的增益曲線以及良好的阻抗帶寬。同時，將偶極子的上振子進行折合延伸，覆蓋至尾翼另一邊緣，可明顯提高另一邊緣方向的輻射效能。另一方面，對天線進行集總參數(shù)加載，使全頻段的阻抗特性趨于平緩，進而實現(xiàn)天線的寬頻化。

本方案以直升機斜梁前緣整流罩及后緣整流罩為載體，將天線輻射體與其進行共固化成型，其中斜梁前后緣整流罩及后緣整流罩均為復合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，天線輻射體為在聚酰亞胺基體上鍍銅而成，厚度為0.105mm。輻射體分為前罩輻射體及后罩輻射體，前罩輻射體尺寸為542mm×78mm，后罩輻射體尺寸為882mm×80mm。直升機斜梁前后緣整流罩高于旋翼水平面，將天線與其共形，可以最大限度地避免旋翼對電信號的遮擋。

2.2 共形天線性能仿真

應用FEKO 7.0對理論研究結(jié)果進行建模仿真，分析天線駐波比、增益和方向圖。同時，使用Advanced Design System 2013軟件，通過調(diào)整匹配電路(π型或T型網(wǎng)絡以及相關(guān)變形網(wǎng)絡)，經(jīng)過多次仿真和反復優(yōu)化，實現(xiàn)工作頻帶范圍內(nèi)的指標要求。仿真模型示意圖如圖4所示。

圖4 仿真模型示意圖

經(jīng)過仿真分析，可得天線駐波曲線，如圖5所示。從圖中可知，天線在30～400MHz頻段，電壓駐波比均小于2.5。頻率140MHz、仰角0°條件下，天線的增益方向圖如圖6所示。從圖中可知，天線的最小增益為-3.459dBi，發(fā)生在θ=90°的點處，即最小增益發(fā)生在垂直于航向的方向。

圖5 天線駐波仿真圖

圖6 140MHz仰角0°水平方向圖

2.3 共形天線實測結(jié)果

共形天線在完成方案設計及仿真分析后，還需對其在暗室中進行性能測試。由于共形天線實際使用環(huán)境復雜，故對其進行性能測試時，應盡量全面地模擬其工作環(huán)境。試驗時，將共形天線安裝在直升機斜梁假件上，斜梁假件的材料、構(gòu)型等完全模擬了真機的情況。試驗室四周墻壁、地面鋪有吸波材料，以減少電磁波的反射等。

對實測結(jié)果進行總結(jié)，可得天線駐波比，如表1所示。頻率為140MHz、仰角0°條件下，天線的實測增益方向圖如圖7所示。

表1 駐波比測試結(jié)果

圖7 140MHz頻點水平全向增益圖

2.4 結(jié)果對比

對共形天線的仿真結(jié)果與暗室實測結(jié)果進行對比可知，駐波比均滿足不大于2.5的要求，但駐波比各頻段最大值與對應頻點，仿真結(jié)果與實測結(jié)果不能完全一致。增益方面，除θ在270°～330°、30°～90°范圍，其余角度仿真結(jié)果與實測結(jié)果能夠較好地保持一致性。

造成以上結(jié)果的原因均為實測環(huán)境考慮了更多影響天線電性能的因素。但通過以上結(jié)果可知，共形天線在140MHz頻點的增益基本滿足載機要求，在直升機航向左右兩側(cè)，存在增益較低的情況。同時，駐波比余量較大，可適當調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)路，提高天線增益水平。

3 總 結(jié)

共形天線是直升機追求高速飛行和隱身化的必然結(jié)果，本文介紹了一種共形天線的實現(xiàn)方案，并比較了其仿真結(jié)果與暗室實測結(jié)果，兩者能夠較好地保持一致性，基本具備裝機條件，具有廣闊的發(fā)展及應用前景。試驗結(jié)果表明，共形天線安裝環(huán)境對其電性能會有一定的影響。因此，如何將直升機結(jié)構(gòu)與共形天線進行協(xié)調(diào)設計，尚需進一步研究與完善。