适用于直升机尾翼的UHF共形天线设计

武警工程大学信息工程系 李雪健 李 萍 刘广斌



适用于直升机尾翼的UHF共形天线设计

武警工程大学信息工程系 李雪健 李 萍 刘广斌

【摘要】本文设计了一款适用于直升机尾翼的柱面共形微带天线，采用嵌入式微带馈线方式，分别设计了的单元和二元阵列天线。采用HFSS软件对单元和二元阵列天线进行了仿真，结果表明：单元天线在848MHz-860MHz频率范围内驻波比均低于1.5，在850 MHz处驻波达到1.073，最大增益为6.9dB，S11达到-30.4dB。二元阵列天线驻波比低于1.5的频率范围为831 MHz -854 MHz，在850 MHz处驻波达到1.102，最大增益为5.163dB，S11达到-24.3dB，辐射方向基本为水平全向。天线的谐振频率覆盖国内应急救援的UHF频段，天线与机体尾翼共形，可直接安装直升机尾翼的下半弧面上，减少了空气阻力。

【关键词】柱面共形天线；直升机；UHF

注：国家青年自然科学基金项目（批准号：61302051）资助的课题。

1　导论

共形天线由于与载体共形设计，具有良好的气动性能、电磁兼容性好、风阻小等优点，使其在航空、制导、雷达等领域得到了广泛的应用，成为了机载天线的研究的热门［1］。国内外对共形天线的研究大部分针对固定翼飞机或导弹［2-4］，对直升机天线的共形研究较少。现今大部分的直升机在应急抢险的UHF波段采用的天线大都为如图1所示的刀型天线，不仅体积大质量重，还突出于机身影响飞机气动性能。

本文设计了一款工作于UHF波段的柱面共形微带天线。该天线共形于直升机尾翼，可以直接安装尾翼下方。首先设计出了的单元柱面微带天线，在其基础上，采用并联式馈电方式设计出二元阵列天线。用Ansoft HFSS软件对天线进行了仿真并对结果进行优化分析，天线参数较好。

2　天线仿真设计

2.1单元微带天线仿真

首先设计出一个谐振于850 MHz单元柱面共形微带天线。将基板与贴片弯曲成半圆柱体形，模拟直升机尾翼底部，圆柱半径为138.5mm，与某型号直升机尾翼半径相同。天线采用嵌入式微带馈电，基板材质是RT/ Duroid 5880，损耗角为0.009，介电常数为2.2，厚度0.795 mm。具体天线参数如表3.1所示。采用HFSS软件对模型进行仿真。仿真模型如图2所示。

表1　单元天线的所有参数

图1　单元微带天线平面示意图

图2　天线模型直观图

运行HFSS求解仿真结果，在850MHz的频率上，所设计的微带贴片天线VSWR 为1.073，在848MHz-860 MHz范围内VSWR低于1.5，回波损耗-30.4dB，最大增益为6.9dB。如图3，图4所示。

图3　单元天线VSWR参数图

图4　单元天线辐射方向增益图

从远场辐射方向图可以看出，因为有底板的反射，单元天线的辐射方向主要指向贴片正面，背面的辐射较少。水平面方向图为全向但增益较低。

2.2 二元微带阵列天线仿真

在设计的单元微带天线基础上，加上并联馈电网络将天线组合成二元阵列。天线的HFSS模型如图5中所示。圆柱体半径及基板材质厚度不变。

图5　二元阵列天线模型直观图

图6　天线驻波比图

仿真结果显示：二元阵列天线在831 MHz -854 MHz的频率范围内驻波比均低于1.5，在850 MHz处驻波达到1.102，最大增益为5.163dB，S11达到-24.3dB，如图6、图7所示

由仿真结果可以看出，从单元天线变成二元阵的过程中，由于圆柱体半径不变，相当于增大了柱面天线的曲率半径。因此二元阵列天线的谐振频率较单元天线有所下降，但仍在应急救援频段内。天线背面辐射增加，辐射方向图起伏增大，3dB波瓣宽度增大，最大增益有所下降。

图7　远场方向图

3　结束语

应用于直升机尾翼的微带贴片天线研究在国内还是比较少见。本文初步设计出单元柱面共形微带天线，并在其基础上设计了二元微带阵列天线，使之可以集成到直升机尾翼下表面，可以减少直升机飞行的空气阻力，提高燃料利用率。其中，单元天线在848MHz-860 MHz，二元阵列天线在831 MHz -854 MHz的频率范围内驻波比均低于1.5，在850 MHz处驻波均低于1.2，达到了良好的谐振。基本满足直升机在应急救援通信的天线要求。

参考文献

［1］韩振平，钱祖平，倪为民，刘宗全.X波段全向共形机载天线的仿真与设计［A］.指挥控制与仿真，2011.

［2］张悦.机载天线及弹载共形阵天线设计［D］.西安电子科技大学，2012.

［3］杨超.S波段弹载柱面共形微带天线的设计［D］.西安电子科技大学，2013.

［4］刘建妥.旋转炮弹的微带天线仿真设计［D］.南京理工大学，2008.

［5］Vidhi Sachdeva，Prakash Kumar Mishra，Drishti Sharma，Samir Dev Gupta. Design of Antenna Conformal to Cylindrical Surface for Aircrafts［A］.Fifth International Conference on Communication Systems and Network Technologies，2015.

Design UHF conformal antenna Suitable for a helicopter tail

LI Xue-jian LI Ping LIU Guang-Bin
（Department of Information Engineering，Engineering University of CAPF，Xi'an 710086）

ABSTRACT：In this paper，a suitable helicopter tail cylindrical conformal microstrip antenna is designed with both unit and binary array antenna respectively in embedded microstrip feeder mode.It turns out that cells in the 848MHz-860 MHz antenna VSWR were less than 1.5，at the frequency of 850 MHz，VSWR reached 1.073，the maximum gain of 6.9dB，S11reach-30.4dB by using HFSS software unit and binry arrays antenna simulation. VSWR of Binary Arrays antenna were less than 1.5 in the frequency range 831 MHz -854 MHz，at the frequency of 850 MHz，VSWR reached 1.102，the maximum gain is 5.163dB，S11reach -24.3dB，radiation substantially horizontal omnidirectional.The resonant frequency of the antenna covering the country's emergency rescue of the UHF band，and conformal with the helicopter tail，can be installed directly on the lower half arc helicopter wing，reducing the air resistance.

Keyword：cylinder Conformal antenna；helicopters；UHF