李雪健
摘要: 直升机作为一种快速灵活的机动装备，近几年在城市反恐处突及应急灾害救援等场合作用明显。机载天线作为通信系统的重要一环，它的性能好坏对直升机通信效果影响极大。本文介绍了机载天线的分类及特点，综述国内外当前对机载天线的主要研究方向和研究进展。介绍了以FEKO和HFSS软件为基础的直升机平台天线研究方法。
关键词：直升机平台；机载天线；研究现状
0、引言
自1907年法国人保罗·科尔尼发明直升机以来，直升机就作为人造飞行器中重要一支在人类历史上扮演着重要角色。机动灵活和起落条件要求低等特点使直升机在现代社会得到广泛应用。
机载天线是飞机系统与其它系统进行电磁能量交换的转换设备，是飞机感知系统的一部分[1]。从广义角度而言，以载机为工作平台的天线均可称为机载天线。机载天线在现代飞行器上应用十分广泛，如飞机上的通信、导航、敌我识别、电子战、雷达等。机载天线的好坏决定着整个系统通信的质量，研究机载天线有着重要的意义[2]。
关于机载天线的研究的文献众多，从事相关研究的专家学者和科研院所也非常之多。但大部分研究都是基于固定翼飞机作为平台研究的，专门以直升机作为平台研究机载天线的文章较少。但固定翼飞机与直升机所处的通信环境及对天线的要求相似，可以进行类比研究。本文以机载天线的主要研究方向及发展情况为主结合直升机平台特点进行综述。
一、机载天线研究背景
1.1机载天线的国内外研究现状
近一个世纪以来,无线电通信技术发展迅速,天线作为无线电波的入口与出口,是一切无线系统中必不可少的组成部分。天线性能的好坏直接影响整个无线系统的性能。飞机作为一种高新科技集成的载体，飞机上通信设备的数量和种类都达到了前所未有的程度，并且现代社会对各种载人、载物飞行器的功能的要求越来越高。并且随着新一代飞机的飞行速度高度等的提高以及现代社会电磁环境的日益复杂，实现飞机通信的顺畅难度变大。这就对机载天线的性能提出来更高的要求。
飞机上有很多天线，如：各式各样的导航通信系统、着陆系统、测高雷达等系统的天线。机载天线按照工作频段分类，可以分为机载中波天线、机载短波天线、机载超短波(VHF/UHF)通信天线、飞机导航天线，还有机载共形微带天线及飞机通信用的自适应阵天线等。如图 1.1 所示，是一个典型军用飞机上具有多达 70 多副天线 [3]。
图1.1 一种典型军用飞机上的多副天线示意图
由于现代电子通信设备的不断发展，使得飞行器天线的研究日益得到重视，同时也对机载天线的各种性能提出了更高的要求。例如对机载搜索雷达来说，常需要其天线方向图形成特定波束形状，如笔形波束、扇形波束或者余割平方赋形波束等波束形状。同时为了保证接收机接受到的回波信号强度相同，通常在俯仰面内采用赋形波束，而在水平面内为低副瓣、窄波束 [4]。这些要求单个天线往往难以实现，通常需要组成天线阵列的形式。因此，天线阵列是机载天线研究的一个主要方向，在机载天线的研究中具有重要的地位。
另外，机载的各种电子设备如通信、雷达、电子对抗和导航等通常具有各自的天线。几十种不同类型的天线分布在飞机的各个部位，对飞机的空气动力学性能和隐身性能都有很大的影响。因此，在设计机载天线时，要尽量减小天线的尺寸，即实现天线的小型化设计；或者采用共形阵，减小天线形状对飞机性能的影响。小型化和共形性也是机载天线研究的一个主要方向。
由于飞机外形结构的复杂性，其电磁场边界条件也十分复杂。目前为止，对于机载天线的理论分析还没有十分完善，很难理论计算得到机载天线的精确解。因此，在机载天线理论方面还有许多问题尚待解决。
机载天线一般采用平板单极子天线，这类天线可以做成机翼形式，几乎不影响飞机的飞行性能和结构性能，因而得到了广泛的应用。在设计机载天线时，既要考虑如何实现天线作为通信前端的电特性性能，如驻波、增益、极化和方向图波瓣宽度等，又要天线的尺寸。因此，在设计机载天线时需要考虑到如何实现小型化特性。[5]
1.2机载天线的分类
目前国内外研究机载天线的形式和种类繁多，基本上各类型的天线都有相关的学者进行研究，下面依据天线的用途及形式对机载天线进行分类。
(1)按机载天线用途分类
①通信系统的中波天线、短波天线和超短波天线等；②导航与定位系统的中波罗盘天线、多普勒导航天线和GPS天线等；③电子侦察与对抗系统的相控阵天线和脉冲超宽带天线等；④火控雷达及敌我识别系统中的天线。
(2)按机载天线结构形式分类
①单极子天线，如钢索天线和印刷单极子天线等；
②微带天线，如安装于载机尾梁和机翼的共形微带天线及阵；
③喇叭和双锥天线，常应用于通信或雷达对抗等系统；
④波导缝隙天线，常应用于电子侦察系统。[6]
1.3机载天线的特点和设计要求
飞机的整个机身其实就是一个隐藏的大地，和地面对地面天线的影响一样，机身也会对机载天线有影响，它的形状、大小、甚至装备天线的位置不同都会对机载天线产生影响。如果说机载天线是一个辖射体的话，那么整个飞机本身也是一个辐射体，甚至有时候是很重要的一个辖射体。最初设计飞机的时候就有必要考虑机载天线的位置，因为这对机载天线的辐射会产生关键影响。[7]
对于机载天线的性能要求，是在满足飞机上全部电子设备都正常工作的前提下提出的，这就对天线的电性能提出了要求: [8]
1)对于那些对辐射能量分布有特定要求的天线，例如雷达等设备，应该注意研究飞机的构造，把天线安装在最合适的地方。
2)天线本身就是飞机和其他自由空间进行能量转换的转换器，整个天线装置的损耗要尽可能的降到最低，不能在辐射能量中占过大比例。
3)通常设计的机载天线的电压驻波比（VSWR)不能超过设计要求，一般来说，机载天线的电压驻波比VSWR<2.5。
4)对于工作在VHF的低频段以上的天线，它的方向图应该覆盖在指定的范围内，对于机载天线来说，其方向图应具有全向性。
机载天线不但要符合其电性能要求，也要符合对其物理性能的要求，主要的物理性能包括环境条件（温度、湿度、加速度、空气动力学气动外形、强度等）、可靠性以及天线的布局等[9]。
二、机载天线的主要研究方向和关键技术
目前针对机载天线的研究主要有四个方面：机载天线小型化、机载天线共形、机载天线宽带化以及机载天线电磁耦合及布局优化。各方面都有大量研究，下面就这四个研究方向及该方向运用的主要技术做简要介绍。
2.1机载天线小型化
由于结构简单、架设方便，天线自人们开始使用无线电波进行通信就取得了广泛的应用。特别是在短波、超短波频段，这种天线更具有优势。因此，天线的小型化研究一直是热点课题 [16-18]。纵观国内外研究现状，天线的小型化问题设计范围很宽，但是主要包括以下几个方面：
1．优化天线的外形结构。
天线的结构决定了天线的性能，因此天线外形结构的优化在天线设计中有着十分重要的地位。例如，近年来，分形技术成为了热门的天线小型化技术，涌现了大量的文章 [10-12]。分形几何学是一门以非规则几何形态为研究对象的几何学，分形一词起源于 Mandelbrot。发展到今天已经渗透到工程和科学的各个领域。文献[13]中采用了印刷型的微带弯折天线结构设计了一个工作在 0.35GHz-3GHz的低剖面印刷天线，天线的尺寸为50 mm×11m m×1.6mm，但是天线的增益很低，仅为-32dBi。
2．采用加载技术以及匹配网络。
在工程中，采用匹配网络和加载技术可以扩展天线带宽、减小尺寸。按照天线加载元件分类，天线加载能分为无源加载和有源加载，集中加载和分布加载等。有源加载因为其自身的某些缺点而了它的应用[14]，无源加载天线一直以来就受到学者的重视。近年来，为获得更好的性能，一些学者借助全局最优化算法——遗传算法 [15]应用于电磁学领域，使得许多复杂问题迎刃而解。
3．采用新型的材料或者结构。
近几十年以来，很多的研究者将别的学科领域的观念引入到天线的设计和研究中，设计出了一些新型的天线，取得了较好的效果。例如，把光子晶体中的光子带隙(PBG)引入电磁学领域中就得到了 EBG 结构。电磁带隙是周期、重复的一种结构，其明显的特点是有带阻特性，可以抑制在带隙的频率的电磁波的传播。
上述三种用于减小天线尺寸的方法中，加载技术和匹配网络设计，由于附加的元件会对天线产生影响，如增加天线损耗、降低天线效率，进而影响天线的增益等。因此，我们在设计天线时应折中考虑[16]。
3.2机载天线的共形化
共形天线是和物体外形保持一致的天线或天线阵。绝大多数都突出在机身外部。为了在机身内部安装天线,需要配套天线罩,天线罩要突出机身,形成鼓包。突出在机身外部的天线多为刀型天线或鞭状天线。飞机上的这些传统的天线,无论是装在飞机内部,还是装在飞机外部,都对飞机的气动特性有不利的影响。所以,从改善飞机的气动外形角度出发,希望对传统的天线加以改进,改进的方向之一就是采用共形天线。[17]
共形天线在通信和雷达领域获得了一定应用,但在理论研究和工程实践中仍存在许多技术难题,这些问题主要表现为以下三点:
1)共形阵列天线的方向图仿真计算问题
共形天线一般属于电大、超电大尺寸,且电磁结构十分复杂,目前缺乏可供使用的商用软件,只能对某些简单情况近似求解。因而,在设计上必须借助大量的试验工作。
2)馈电网络复杂
对于共形天线而言,当波束扫描到某一方向时,并不是所有天线单元都对主波束有贡献,为避免增加副瓣电平和降低天线效率,必须断开或者改善对主波束无贡献的单元激励,这样势必增加馈电网络的复杂性。在很多情况下,共形天线的复杂性、成本和重量主要取决于馈电网络。[18]
3)材料与工艺问题
目前,微带天线的制作主要依赖覆铜板,其介质材料为有机复合材料,铜箔通过热压与基板结合在一起。这存在如下问题:有机材料基板及其铜箔的耐热性能,对于机载天线是没有问题的,对于高速导弹的高温要求,则满足不了。其次,还要解决陶瓷表面金属化、金属表面陶瓷化、厚膜工艺尺寸精确控制、材料热膨胀匹配及电路金属材料在高温下的稳定性问题。[18]
3.3机载天线的宽带化
对于线极化微带天线而言,阻抗对频率变化是最敏感的,因此一般用阻抗带宽来定义天线的带宽。典型微带贴片天线的带宽大约在2~3%左右,由其高Q的谐振特性决定。目前,线极化微带天线宽频带技术主要有以下四种:
1．降低Q值
主要是采用厚基板和介电常数较小或损耗大的基板[19]。实际上,基板厚度的增加会激励起不希望的表面波模式,而介电常数的降低会导致贴片面积的增大。此外,采用损耗较大的基板本质上是以天线效率的降低来换取带宽的展宽。
2．增加等效谐振电路
微带天线可以等效为一个RLC电路在原有谐振回路的基础上,增加一个親合的LC谐振回路,当谐振点比较接近时,可以有效地展宽天线的阻抗带宽。一种有效的措施是在有源贴片天线旁附加寄生贴片,寄生贴片与有源贴片之间形成稱合的调谐回路而在贴片上开矩形或U形槽则有异曲同工之妙[20]。另一种典型方式是在微带天线外表面上再增加一个或多个寄生金属带片[21],这些金属带片不与原来的馈电结构连接在一起,这样可以激励两个或两个以上的模式。多层微带天线可以成倍地扩大带宽,但存在体积较大,结构复杂和加工不便等缺点。
3．天线加载技术
在微带天线上加载短路探针或短路片[22],在有效降低谐振频率的同时还可以增加带宽。当馈电和短路加载的位置选取适当时,其工作频带可以明显展宽,但这类加载天线在低频段的工作效率较低。
4．采用特殊馈电结构
目前,利用电容稱合、口径親合馈电[23]方式来实现微带天线,可以将阻抗带宽提高到20%以上。此外,釆用L型探针馈电[24]、共面波导馈电的结构形式也可以明显展宽天线的带宽。上述各种宽带方法可以分别单独使用,但一般为了有效地改善微带天线性能,通常综合采用多种方法。[6]
3.4机载天线电磁耦合及布局优化
1.天线电磁兼容分析方法
分析天线电磁兼容性的本质就是研究天线系统及其载体的电磁福射和散射问题。复杂环境的电磁辖射和散射问题,可通过各种数值方法,如矩量法(Method ofMoments, MoM)、有限元法(FiniteElementMethod,FEM)、时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)等都可得到足够精确的数值解。但受计算机内存和计算速度的,只能用于电小尺寸电磁问题的计算。
对于电大尺寸的电磁问题,多层快速多极子算法(MLFMA)计算效率高、结果精确,适用于电大问题的求解。此外,高频近似技术,如物理光学法(Physical Optics, PO)、几何光学法(Geometrical Optics, GO)、几何绕射理论(Geometrical Theory ofDiffraction, GTD)等,也适用于计算电大尺寸物体的福散射。
2.天线系统电磁兼容解决方法
处理天线系统EMC的方法归纳起来不外乎有三种:即问题解决法(Problemsolving approach)、规范法(Specification approach)禾口系统法(System approach)。其中系统法从设计开始就预测和分析电磁兼容性,并在系统设计制造、组装和试验过程中不断对其电磁兼容性进行预测和分析。
计算电磁学的一个重要应用方向就是电磁兼容预测分析。目前外军在海基、路基、空基、天基武器装备的研发过程中十分重视电磁兼容预测分析技术的应用。例如,美国下一代电子战飞机经过优化设计后,可以在复杂电磁环境中实现全频段干扰、全频段频谱透视以及干扰对消通信,完全解决了机载多天线的电磁兼容问题。目前,美国伊利诺伊大学开发的以多层快速多极子算法为核心的软件FISC[im、Scale和以SBR等高频方法为主的Xpatch软件已经成为美国三军通用的目标电磁特性的支柱性仿真软件。90年代以来,国内在大平台多天线系统电磁兼容和优化布局方面也取得了一些成果,在节省设计周期、解决工程问题的同时,为类似问题提供了借鉴经验,为进一步精确的EMC研究设计和改进积累了数据和经验。但在相关理论的研究及成果的推广方面还有很多工作要做。
三、直升机平台天线研究
直升机上机载天线数量多，类型复杂。直升机平台相比于固定翼飞机来说体积更小、天线分布更为密集、通信干扰因素更多。下面以FEKO和HFSS软件为基础介绍当前直升机平台的仿真研究。
3.1直升机平台仿真研究
下面以两款主流天线仿真软件介绍直升机平台仿真研究。
1.FEKO软件
林晨[6]采用GPSO/FEKO方法对直升机进行仿真，对局部区域的天线布局进行优化设计。
图3.2天线优化安装位置示意图
表3-1 直升机天线相关信息
并且分析了直升机平台对超短波天线和高度表天线的影响。
(a)孤立环境 (b)机载平台环境
图3-3高度表天线(发)立体方向图仿真结果
2．HFSS软件
万文雅[26]利用HFSS对直升机和天线进行一体化仿真，分析直升机载体对机载天线方向图的影响。
图 3-4 HFSS直升机和天线的一体化模型
总结
近些年来国内外对机载天线的研究很多，各个领域都有所涉及。主要集中在对机载天线的小型化、共形天线、宽带化和对天线耦合及优化布局等四个方向的研究。直升机平台相比于固定翼飞机来说体积更小、天线分布更为密集、通信干扰因素更多，分析难度大，天线要求高。目前研究的人较少，是一个有价值的研究领域。
本文是作者对机载天线研究方面论文研读和材料收集后的总结，但鉴于本人学术水平及文献阅读量有限，仅对机载天线做以简要综述。不足处请专家老师批评指正。
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