高教机天线布局影响通讯距离研究与改进

邹 庆，谭洪开

(1.驻320厂军事代表室，江西 南昌 330024 2.中航工业洪都，江西 南昌 330024）

0 引 言

某型高级教练机（以下简称“高教机”）在试飞过程中，当飞行高度达到10000米时，飞行员和塔台无法通讯，按战技指标要求应达到350km，经测试实际作用距离不足100km，严重影响远航、转场等飞行科目的开展。

1 故障定位

通过对电台收发机性能指标与天线性能指标测试，以及机上线路排查等工作的开展，未发现原理、匹配及成附件质量问题。对比其他三代机超短波天线安装位置，高教机天线安装在垂尾，经初步研究分析发现，天线布局是导致故障发生的主要原因。

2 故障原因分析

2.1 天线机理分析

高教机超短波电台天线在天线形式上属于单极天线。单极天线在设计和使用中一般遵循以下原则：

1）辐射体必须安装在金属平板上并保持良好的电气连接，金属板尺寸会影响天线辐射性能，理论接地尺寸为无穷大；

2）与单极天线辐射体连接的金属平板一般叫做天线接地面，即起到天线的激励面的作用，同时也是天线的反射面。同轴馈电时，同轴内导体接天线辐射体，外导体接金属平板。

2.2 问题原因分析

1）天线接地面尺寸不足

高教机电台天线的安装位置在垂尾顶端。垂尾顶端视野良好，四周无遮挡，但是，高教机垂尾采用碳纤维复合材料制造，仅在垂尾顶端天线支座上有一小块金属安装槽，尺寸约300mm×50mm。

天线输入阻抗分为电阻和电抗两个部分。即Z= Rin+jXin。设天线的输入阻抗为Zin，而d为无限大时天线输入阻抗为Zin0，则：

λ为工作波长；

β=2π/λ,d为天线地板半径，βd反映了接地板的电尺寸；

I(z)为天线上电流分布，I(0)为输入端电流。

上式中，ΔZ与βd成反比，当βd很小时，即d很小时，天线的端口阻抗特性急剧恶化，具体为jXin电抗分量增大，从图1可见，当βd＜1，阻抗变化达50Ω。引起端口阻抗失配，发射功率进入天线后，并未全部向外辐射，而是有大量功率在天线内部振荡并被电阻吸收，最终导致天线效率降低，实际辐射功率变小。

图1 h＝λ/4时，电抗Xin～βd曲线

图2给出了天线辐射体高度h=λ/4时，金属平板尺寸对天线端口阻抗特性和水平方向图增益的影响，D为天线水平面方向性系数。在βd＞1的情况下，天线方向系数基本趋于稳定，接近单极天线理想状态。计算目前高教机天线相关βd为：

此时方向系数有20dB衰减，理想情况下，天线增益每恶化6dB，通讯作用距离减半，按350km的通讯作用距离要求，现有通讯作用距离将不足100km，与问题情况相符。

2）天线辐射近场区内有大量结构件

在设计飞机垂尾顶部的结构（图3）时，未考虑天线辐射的要求，导致天线周围存在大量的结构加强件和安装铆钉，天线腔顶部和后部还有航行灯，尽管结构加强件采用了玻璃钢材料制造，但由于存在于天线辐射近场区，对天线方向图的形成也有很大影响。

图2 h＝λ/4时，水平面方向性系数D～βd曲线

图3 垂尾顶部结构图

3 改进措施及验证

3.1 垂尾改为金属材料

为验证高教机垂尾由复合材料改为金属材料的有效性，在实验室进行仿真试验。将天线分别安装在小平板（尺寸：700mm×55mm）和U型金属板（尺寸：700mm×55mm×500mm）上进行天线方向图测试。其中，小平板模拟天线安装在目前复合材料垂尾的天线安装支架上的情况，U型板模拟天线安装在金属垂尾上的情况。图4给出了129MHz时的对比测试结果。

通过小平板和U型板的水平方向性图对比 （测试频率129MHz），小平板方向图在68°出现深凹陷，基准值平均衰减为-22.38dB；U型板方向图均匀无凹陷，基准值平均衰减-13.04dB；U型板比小平板增益改善近10dB。根据理论分析结果：典型10W发射功率、灵敏度优于-90dBm的机载电台，使用100MHz频率通讯，要满足350km的通讯作用距离，其配套机载超短波天线在方位面增益值不能小于-10dBi。可见，将高教机垂尾改为全金属材料必然可以改善垂尾电台天线的辐射性能，满足要求。

图4 天线水平面方向对比测试图

3.2 重新选择天线安装位置

根据电台频率区间100MHz～150MHz范围，以βd＞10为基准，得出天线金属安装板面积为不低于直径约为4m左右的圆形面积，飞机机腹与机背为等电势共地，可选择任意金属蒙皮位置安装。高教机机背中部机身位置上已装有塔康天线和罗盘天线，并且不足之处是垂尾对电台天线尾向辐射会有一定程度影响。因此，选择在机腹后机身位置进行安装并试验。

在100MHz和150MHz，进行方向图仿真，仿真方向图截取水平面、纵切面和横切面，两个频点的方向图叠加在一幅图上。

从图5可看出，在频段内，天线布局后的水平面方向图良好，无深凹陷，仅有轻微起伏，水平面方向图符合要求。

从图6、图7可看出，纵切面、横切面方向图良好。尽管天线安装在机腹，但机背上空间的覆盖仍然良好，在水平面仰角30°范围内有大于-10dBi的信号覆盖，即使在飞机顶空也有大于-20dBi的信号覆盖。纵切面、横切面方向图符合要求。

图5 水平面方向图（100MHz、150MHz）

图6 纵切面方向图（100MHz、150MHz）

图7 横切面方向图（100MHz、150MHz）

4 结 论

1）通过垂尾改造和天线移位两个方案均能够解决通讯距离不足的问题。但是，垂尾改造方案周期长、代价大，改动带来其他因素不确定。而天线移位方案简捷有效，采取后者更符合实际情况。经试飞验证，效果良好，能满足通讯距离要求。

2）在超短波单极天线布局时，要充分考虑天线接地平面大小对天线性能的影响和加载效应，不能出现接地面尺寸过小的情况，并保证天线的接地良好。另外，在形成天线方向图的辐射近场区，不应有结构件遮挡，以免干扰天线辐射方向性系数。

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