直升機(jī)超短波天線裝機(jī)性能仿真分析

中國西南電子技術(shù)研究所 郭 晨

針對(duì)直升機(jī)超短波通信需求，分析了超短波天線受裝機(jī)環(huán)境的影響。通過仿真與試飛方向圖測試數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證天線裝機(jī)性能仿真的準(zhǔn)確性。根據(jù)仿真分析結(jié)果，可準(zhǔn)確評(píng)估直升機(jī)任意機(jī)動(dòng)角度下，天線裝機(jī)性能是否滿足通信距離要求。該分析方法可應(yīng)用于直升機(jī)超短波天線布局設(shè)計(jì)。

機(jī)載平臺(tái)為了實(shí)現(xiàn)與各個(gè)方向上、多種協(xié)同通信目標(biāo)的超短波通信，通常選用增益較低的全向天線形式的超短波天線。受直升機(jī)平臺(tái)機(jī)身小、機(jī)背不平坦、機(jī)腹外掛設(shè)備多等裝機(jī)環(huán)境的影響，直升機(jī)超短波天線裝機(jī)方向圖會(huì)產(chǎn)生畸變，天線增益在某些方向上更低，從而限制直升機(jī)超短波通信功能的通信距離和通信質(zhì)量。因此，對(duì)超短波天線裝機(jī)性能進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估顯得更為重要。

傳統(tǒng)的超短波天線布局仿真僅分析天線裝機(jī)后，方向圖是否畸變以及產(chǎn)生畸變的大體趨勢。直升機(jī)試飛方向圖測試，雖能測出天線裝機(jī)方向圖特性，但該測試耗費(fèi)大量人力物力，并且測試點(diǎn)數(shù)受限于飛行方法及飛行架次，較難測出完整的天線裝機(jī)方向圖。

本文主要針對(duì)直升機(jī)超短波天線受裝機(jī)環(huán)境影響，在超短波通信功能的角度，分析直升機(jī)在任意機(jī)動(dòng)角度下，天線裝機(jī)性能能否滿足通信距離要求。為機(jī)載天線裝機(jī)性能的評(píng)估提供新的思路。

1 天線裝機(jī)性能仿真建模分析

1.1 天線裝機(jī)影響分析

在超短波天線的工程研制過程中，前期的仿真工作以及后期的測試工作通?；谝欢ǔ叽绲慕饘賵A盤或平板（直徑或邊長為1.5m），該狀態(tài)與超短波天線的真實(shí)裝機(jī)環(huán)境差距很大。如圖1所示，通過對(duì)天線置于圓盤、局部蒙皮載體和整機(jī)狀態(tài)進(jìn)行仿真，分析裝機(jī)環(huán)境對(duì)天線方向圖帶來的影響。

圖1 超短波天線仿真示意圖

直升機(jī)機(jī)背一般都不平坦，機(jī)背上的超短波天線安裝面會(huì)與水平面成一定夾角，并且天線還會(huì)受機(jī)頭駕駛航、機(jī)尾尾翼的遮擋。

圖2所示的天線方向圖仿真曲線中，超短波天線傾斜安裝帶來了天線方向圖不圓度的惡化（黑線-不圓度1dB，綠線-不圓度6dB），而機(jī)身的遮擋使得天線方向圖在機(jī)頭、機(jī)尾方向有3-10dB左右的損失。

圖2 380MHz頻率下天線方向圖仿真曲線

由上述仿真結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)的金屬圓盤、局部蒙皮載體均不能反映超短波天線真實(shí)裝機(jī)環(huán)境帶來的影響。

1.2 天線裝機(jī)模型與實(shí)際裝機(jī)差異分析

圖1(c)天線置于整機(jī)仿真狀態(tài)與實(shí)際裝機(jī)是存在差異的，主要表現(xiàn)在：

（1）飛機(jī)模型與真實(shí)飛機(jī)差異

飛機(jī)模型作了簡化處理，在細(xì)節(jié)尺寸上與真實(shí)飛機(jī)存在區(qū)別；

（2）飛機(jī)裝載設(shè)備差異

忽略了機(jī)載設(shè)備（如其它天線、起落架、輪胎、著陸探桿等）對(duì)超短波天線（通常安裝于機(jī)背或機(jī)腹）的遮擋影響。

（3）飛機(jī)機(jī)身復(fù)合材料差異

直升機(jī)機(jī)身在部分區(qū)域表面采用復(fù)合材料填充，而天線裝機(jī)仿真時(shí)將整個(gè)飛機(jī)作為金屬處理。

通過圖3所示算例，初步分析超短波天線受遮擋物影響。圖3中，在超短波天線方位0°方向，距天線790mm（對(duì)應(yīng)380MHz的一個(gè)波長）放置一個(gè)直徑為100mm的圓柱體遮擋物，遮擋物高度分別為0.1λ～0.5λ（79mm～395mm）。

圖3 超短波天線受遮擋物影響仿真示意圖

圖4所示的仿真結(jié)果，當(dāng)遮擋物高度為0.1λ時(shí)，天線水平面方向圖幾乎不受影響；當(dāng)遮擋物高度為0.2λ時(shí)，天線水平面方向圖不圓度約有1dB左右的惡化；當(dāng)遮擋物高度為0.3λ～0.5λ時(shí)，天線水平面方向圖不圓度約有3dB左右的惡化。

圖4 380MHz頻率下天線方向圖受遮擋物影響仿真結(jié)果

初步分析超短波天線受復(fù)合材料影響，將超短波天線置于涂覆介質(zhì)材料的金屬平板上，其中介質(zhì)材料厚度為20mm，分別仿真計(jì)算介質(zhì)材料的介電常數(shù)為2和6兩種情形，并與金屬平板表面無介質(zhì)的情形對(duì)比。

圖5所示的仿真結(jié)果表明，在超短波天線周圍涂覆介質(zhì)材料對(duì)天線方向圖沒有影響。

圖5 380MHz頻率下天線方向圖受介質(zhì)材料影響仿真結(jié)果

結(jié)合以上仿真結(jié)果，給出天線裝機(jī)性能仿真建模建議：

（1）應(yīng)盡量保證飛機(jī)模型的準(zhǔn)確性，簡化模型過程中，尺寸與實(shí)際差異最好不超過仿真頻率的0.1λ。

（2）天線周圍高度超過仿真頻率0.3λ的遮擋物應(yīng)盡量建入仿真模型中。

（3）忽略機(jī)身表面復(fù)合材料對(duì)超短波天線的影響，機(jī)身表面均作為金屬處理。

圖7 直升機(jī)方位角、俯仰角示意圖

圖8 滿足通信作用距離空域覆蓋圖

2 天線裝機(jī)仿真與實(shí)測對(duì)比分析

為驗(yàn)證天線裝機(jī)仿真的準(zhǔn)確性，基于某型號(hào)的部分超短波天線試飛測試數(shù)據(jù)，與天線裝機(jī)狀態(tài)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。測試點(diǎn)處在本次試飛測試僅采集了8個(gè)飛行點(diǎn)的數(shù)據(jù)，每個(gè)飛行點(diǎn)對(duì)應(yīng)的飛機(jī)航向、飛機(jī)姿態(tài)角信息、接收電平及天線坐標(biāo)系方位角數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 外場各測試姿態(tài)慣導(dǎo)信息表

表1所示中，天線坐標(biāo)系下方位角跟飛機(jī)航向一致，將飛機(jī)俯仰角、橫滾角換算為天線坐標(biāo)系下的俯仰角。

在天線裝機(jī)仿真結(jié)果提取出上述8個(gè)點(diǎn)，并與實(shí)測結(jié)果歸一化后，繪制對(duì)比曲線。如圖6，可以看出除方位角225°以外，天線裝機(jī)仿真方向圖與實(shí)測電平趨勢基本吻合，驗(yàn)證了天線裝機(jī)仿真的有效性。

圖6 實(shí)測與仿真方向圖對(duì)比

3 天線裝機(jī)性能分析

從超短波通信功能角度，天線裝機(jī)性能直接決定了通信距離。通過通信作用距離公式(1)，在明確通信距離要求，預(yù)估發(fā)射機(jī)輸出功率、接收機(jī)天線增益、發(fā)射機(jī)饋線損耗、接收機(jī)饋線損耗的基礎(chǔ)上，可從功能角度得出對(duì)天線增益的最小要求。

公式(1)中，Pt為發(fā)射機(jī)輸出功率，Gt為發(fā)射機(jī)天線增益，Gr為接收機(jī)天線增益，Lt為發(fā)射機(jī)饋線損耗，Lr為接收機(jī)饋線損耗，為工作頻率。

圖9 兩種天線布局情形下滿足通信作用距離空域覆蓋圖

從直升機(jī)飛行任務(wù)剖面角度，應(yīng)關(guān)心直升機(jī)的機(jī)動(dòng)角度范圍內(nèi)天線裝機(jī)性能是否能滿足通信距離要求。直升機(jī)最大機(jī)動(dòng)角度一般為俯仰角±30°，橫滾角±30°，對(duì)應(yīng)到機(jī)體坐標(biāo)系應(yīng)關(guān)心的角域?yàn)榉轿籄Z（-180°，180°），俯仰EZ（-30°，30°），如圖7所示。

基于某型直升機(jī)，根據(jù)天線裝機(jī)仿真增益是否滿足通信距離對(duì)天線的最小增益要求，得到圖8結(jié)果。圖中黃色區(qū)域?yàn)樘炀€裝機(jī)仿真增益達(dá)不到最小增益要求的角域，白色區(qū)域?yàn)樘炀€裝機(jī)仿真增益滿足最小增益要求的角域。

從圖8所示中可以看出，機(jī)頭方向的遮擋對(duì)通信距離的影響更為嚴(yán)重，此仿真結(jié)果與實(shí)際拉距試飛實(shí)驗(yàn)中，背臺(tái)（機(jī)尾朝地面通信臺(tái)）通信距離比向臺(tái)（機(jī)頭朝地面通信臺(tái)）通信距離更遠(yuǎn)的結(jié)果是一致的。

4 天線布局應(yīng)用實(shí)例

以某型直升機(jī)為例，在尾梁上方對(duì)超短波天線布局位置進(jìn)行優(yōu)化。初步選定兩個(gè)安裝位置：（1）尾梁前段，離機(jī)頭更近；（2）尾梁后段，離垂尾更近。按上節(jié)中天線裝機(jī)性能分析方法，給出兩個(gè)布局位置滿足通信作用距離的空域覆蓋圖。

圖9所示的結(jié)果對(duì)比，可以很清晰的看出兩種布局的優(yōu)缺點(diǎn)。天線布置于尾梁前段時(shí)，天線機(jī)頭方向通信距離不滿足要求，機(jī)尾及機(jī)身兩側(cè)通信距離滿足要求；天線布置于尾梁后段時(shí)則相反，天線機(jī)尾方向通信距離不滿足要求，機(jī)頭及機(jī)身兩側(cè)通信距離滿足要求。

從功能任務(wù)剖面來考慮，若更關(guān)心直升機(jī)前方的通信對(duì)象，可選擇天線布置于尾梁后段的布局；若更關(guān)心直升機(jī)后方的通信對(duì)象，可選擇天線布置于尾梁前段的布局；若直升機(jī)前方、后方的通信對(duì)象均很重要，則需要繼續(xù)優(yōu)化天線布局位置。終上所述，可體現(xiàn)天線裝機(jī)性能分析方法對(duì)天線布局設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用。

本文針對(duì)直升機(jī)超短波天線，提出了天線裝機(jī)性能評(píng)估的必要性，分析了仿真與實(shí)際裝機(jī)的差異性帶來的影響，給出更接近真實(shí)結(jié)果的仿真建議。通過仿真與試飛方向圖實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了天線裝機(jī)性能仿真的準(zhǔn)確性。從超短波通信功能的角度，快速分析直升機(jī)在極限機(jī)動(dòng)角度范圍內(nèi)，天線裝機(jī)性能能否滿足通信距離要求。本文的工作對(duì)機(jī)載超短波天線布局設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義和借鑒價(jià)值。