关于机载天线设计及天线系统布局的分析

摘 要：随着科学技术的快速发展，机载平台中有较多电子设备逐渐被融入其中，有利于平台战术功能的进一步提高。而这种功能提高的关键在于平台中合理的机载天线设计与系统布局方面，一旦忽视优化天线设计与系统布局工作，将制约机载平台整体功能的发挥。对此，文章将对机载天线设计的思路以及天线系统布局进行探析。

关键词：机载天线设计；天线布局；发展趋势

前言

作为飞机系统中交换电磁能量的重要构件，机载天线实质为感知系统组成部分。从现行机载平台结构看，由于其与舰船、地面等平台存在较多差异，整个空间较为有限，并非任何天线都可设计其中，需综合考虑天线高度、重量以及安装位置等，这样才可使飞机操稳特性、安全性能得以提升。因此，文章通过分析机载天线的设计以及天线布局优化的思路，对机载平台功能的发挥具有十分重要的意义。

1 机载天线设计的思路

现行关于机载天线的设计，可采取的方式主要通过较多的优化算法以及快速分析计算方式，然而实际优化设计中仍存在一定的问题包括低剖面宽频带微带天线、特定波束双锥天线等，需采取相关的优化措施。常见的方式如粒子群优化算法等，其具有算法通用性强、协同搜索以及编程简便等优势，对天线设计中问题的解决可起到明显的效果。以双锥天线为例，其在设计中存在的问题主要集中在对俯仰面方向图提出特定要求情况下，设计目标难以实现。对此可考虑引入改进型双锥天线，其在波瓣宽度、方向图增益控制过程中，主要需对馈电结构上下锥角、结构间距进行调节，使电压驻波比符合频带规定要求。同时，若天线外形尺寸不存在问题，为使天线增益得到提高，可对椎体半径、高度进行控制。另外，高频段环境下，若需使俯仰面获取更多增益，应注重通过对结构上下锥角以及主体半径等进行控制，使波束的宽度与指向要求得以满足。同理，低频段情况下对于波束宽度与指向问题也以结构锥角与半径等为依据[1]。

另外，天线设计过程中存在的问题也集中在微带天线方面，尤其对于低剖面宽频带类型，其存在的问题更为明显。以2.45GHz工作频率的微带天线为例，其介质板介电常数、介质板厚度上分别为2.65与0.008λ0，通过仿真分析得出，在1mm介质板厚度的情况下，尽管谐振频点仍可出现，但阻抗匹配却无法实现，原因在于谐振频点中带宽较为有限，加上天线结构不具备较大的自由度，使谐振频点无法相近。此时在优化设计过程中，便需考虑到天线结构自由度问题，可使缝隙向辐射边进行延伸，并保证谐振臂能够自由伸缩，这样原有U形槽微带天线得以改进，最终形成U形耦合微带天线。事实上，根据现代机载平台功能要求，还需考虑到机载阵列天线的设计内容，可将GPSO算法引入其中，优化设计方向图，进而提出印刷振子阵列试验结果，利用其指导天线设计的全过程[2]。

2 天线系统布局分析

2.1 明确任务系统的基本要求

由于机载平台中不同电子设备具有不同的功能，所以安装天线中需考虑不同的内容。假设对机翼前缘、机腹、垂尾、机背以及机头分别用V、IV、III、II、I进行表示，此时整个天线布局如图1所示。

根据图1可知，在天线布局中应根據不同区域采取不同的安装方法。如在I区部分，应将气象雷达天线设置其中，其目的在于对障碍物、地形以及前方气象进行探测；而在II与IV区，应将超短波天线设置其中，这样能够保证空地或空空的通信得以实现，同时在这两个区域内还需进行应答机天线的设置，这样可保证航管站了解飞机相关气压高度等信息；在V区与IV区，需安装的天线主要以无线电高度表为主，其负责对着陆过程中飞机离地高度的探测，需以两根天线为主，包括接收天线与发射天线；在II区与IV区还需考虑进行无线电罗盘天线的设置，该处天线以定向、定线天线为主，主要负责飞机与导航台位置的指示；III区与IV区内，需安装的天线主要以仪表着陆系统为主，其包括下滑信标以及指点信标等类型天线；在II与III区域还需考虑卫星导航信号接收问题，可进行GPS天线的安装，能够使飞行速度与经纬度位置等得以确定。

2.2 方向图设计思路

方向图的设计是天线系统布局中需考虑的重要问题，机体中的许多构件如螺浆、尾翼或机身都可能影响方向图。对此问题，天线布局过程中首先考虑到垂直面方向图范围，避免有深凹零值点存在于方向图中。且应注意波束宽度在同一角度方向上应保持相等。而从水平极化天线角度看，在设计过程中应对飞机机动范围进行分析，以50°为最小波束宽度。其次，在立体角范围中方向图的设计要求在任何辐射方向上，全向天线的辐射保持相同。但这种设计方式往往存在一定的难题，很难使辐射保持相等，这样在设计过程中便需做好方向图不均匀度的设计，对飞机前向、后向中天线覆盖范围进行限定[3]。

2.3 对电磁兼容性问题的考虑

电磁兼容性是系统布局中需考虑的主要问题，要求结合接收、收发以及发射天线等完成布局过程，尤其其中的接收天线，需保证其所处的区域不具备较强的电磁敷设。具体设计思路主要表现在：第一，以天线间隔为依据进行布局设计。天线将是影响平台设备运行的关键性因素。可取天线最低工作频率时的波长，间隔可为波长的3/8。但假如机载设备具有较大的功率，仍无法保证各系统功能的具体发挥，此时天线隔离度仍是需考虑的重要问题。对其可引入现代仿真软件如HFSS、CST等对天线布局分析，确保布局得到优化。第二，天线与电缆间隔是布局设计中的主要问题。假若发射天线区域内有电缆存在，很容易使辐射能量直接作用于电缆中，这样机载设备可能接收到来自电缆的能量，最终形成干扰。因此在实际布局设计中应注重做好电缆屏蔽工作，或采取对天线与电缆距离增加的方式，也可取得良好的效果。第三，天线与设备间隔问题。机载设备往往会由机壳进行射频信号的传输，若天线对这些射频信号接收，很容易将这些能量传入到敏感电子元件中，导致元件性能受到影响。对此，在布局中可从设备屏蔽质量着手，或对天线与设备间距进行增加。第四，布局中应对电磁环境问题进行分析。电磁环境下，相关操作人员往往易受到电磁辐射影响，所以在天线布局过程中应保证与电磁环境区域保持较大的间隔，可考虑使机翼、机身蒙皮在屏蔽功能上得以强化，有利于削弱电磁辐射对人员造成的伤害[4]。

3 结束语

机载平台功能的发挥主要受天线的设计与天线布局影响。实际设计过程中应正视设计中存在的问题，注重引入相应的优化算法，根据优化计算结果使天线设计更为合理。同时，在天线布局中应以任务系统要求为依据进行各区域天线设计，并保证方向图的设计更为合理，且充分考虑到电磁兼容性问题，这样才可提升飞机的安全性。

参考文献

[1]林晨.机载天线设计及天线系统布局研究[D].西安电子科技大学，2011.

[2]陈加海，周建江.机载天线RCS减缩及其布局设计[J].南京航空航天大学学报，2014，6：845-850.

[3]路志勇，宋长宏.机载系统天线布局及电磁兼容性分析[J].微波学报，2010，S2：10-12.

[4]魏亮，李峰，王涛涛.飞机天线系统EMC设计[J].现代电子技术，2012，16：112-113+125.

作者简介：张雄伟（1977，12-），男，汉族，陕西榆林，学历：本科，工程师，工作单位：陕西烽火通信集团有限公司，研究方向：电磁场与电磁波的辐射、天线的研发。