民用飞机甚高频天线布局的方向图仿真

龙源期刊网民用飞机甚高频天线布局的方向图仿真作者：宁敏来源：《电子技术与软件工程》2017年第10期飞机在起飞、飞行、着陆阶段需要与飞机和地面基站之间通过甚高频天线进行可靠的语音和数据通信。一般在干线飞机上，会安装两到三副甚高频天线，机身上能够进行天线布局的位置有限，甚高频天线方向图容易受到机身外形影响，因此进行天线布局时需要重点考虑甚高频天线的位置。本文介绍了甚高频天线布局时需要考虑的问题，并选取机身上5个典型位置，对甚高频通信天线在机身上不同安装位置上的方向图进行仿真分析，为甚高频天线布局提供一定的参考。【关键词】甚高频天线天线布局仿真分析飞机在起飞、飞行、着陆阶段需要与飞机和地面基站之间进行可靠的语音和数据通信。甚高频（VHF）通信天线用于飞机之间和飞机与地面基站之间视距内语音和数据通信，工作频率为118MHz～136.975MHz。VHF天线工作时应得到全向辐射，无论飞机何种姿态，均能与地面台在工作频段内进行可靠的双向通信。飞机在水平飞行时，天线辐射场的垂直极化应占主要优势。天线的方向图是根据方向性函数绘制的图形，用来表示天线在各个方向上的辐射强度。由于飞机是一个几何形状不规则的形体，机体各部件造成反射、折射、绕射，当天线安装在飞机上，方向图会发生较大的变化。在干线飞机上，会安装两到三套甚高频通信系统，相应的至少配置一上一下两副甚高频天线，甚至三副甚高频天线，以保证能够覆盖各个方向。机身上能够进行天线布局的位置有限，甚高频天线方向图容易受到机身外形影响，进行天线布局时需要重点考虑甚高频天线的位置，方向图是否满足系统工作要求。本文介绍了甚高频天线布局时需要考虑的问题，并选取某民用飞机机身上5个典型位置，对甚高频通信天线在机身上不同安装位置上的天线方向性图进行仿真分析，为甚高频天线布局提供一定的参考。1甚高频天线布局要求甚高频天线布局时应满足天线隔离度要求，天线之间的隔离度要足够高。机身上部或者下部同侧安装的甚高频天线应距离尽量远，避免相邻天线的方向图重叠。VHF天线应配置在介质整流罩内，并具有流线型气动力外形，以免影响飞机的气动外形。天线应安装在不易积水的部位，并且不应影响飞行员的视线，尤其是在着陆过程中不应妨碍驾驶员的视线。天线应尽量靠近天线系统，连接线缆应尽量短，使之有最大能量的输出和最大信号强度的输入。VHF天线系统一般由两到三副天线构成全方向性图，在方位面内进行空间全向搜索，应分别配置在机头、机尾。为了避免天线方向性图在滚转面内倾斜，甚高频天线一般都是垂直安装在飞机的中心线上。龙源期刊网通信天线需要与地面台进行可靠的双向通信，要求天线在水平面内具有全向的方向图，对飞机上部空间和下部空间能良好覆盖，应同时安装在飞机的上方和下方，大多数远程飞机会选装第3个VHF通信天线作为备用天线。甚高频天线布局方案以B737与A320为例，均设计了三套VHF系统天线的安装位置，B737的甚高频天线采用“一上两下”的方式，其中一副位于机身顶部中心线中段，两副分别位于机身底部中心线后段和前段。A320采用“两上一下”的方式，其中两副位于机身顶部中心线前段和后段，另一副位于机身底部中心线后段。机身上可用于布置甚高频天线的区域中，起落架有可能成为VHF天线的引向器与反射器，所以应避开并远离起落架；垂尾会引起遮挡，应避免太靠近。当天线安装在机身下部中区时，发动机短舱与机翼会产生反射，当飞机盘旋时，机翼还会产生屏蔽作用。因此考虑在以下5个位置布置VHF天线，如图1所示。3VHF天线在不同安装位置上的辐射特性仿真分析使用商业软件FEKO建模，计算VHF天线安装在不同位置上的辐射特性。天线模型采用了一个1/4波长（128MHz）的单极子天线，飞机模型采用某民机外形尺寸，假设机身表面为全金属飞机。全机表面网格离散尺度0.5m，使用基于矩量法的多层快速多极子算法，计算VHF天线工作频段中点128MHz机身上VHF天线在不同站点的辐射特性。VHF天线安装在5个位置上时计算的方位面（XOY面、左）、滚转面（XOZ面、中）和俯仰面（YOZ面、右）内的归一化远场方向性图见图2～6，外圈曲线表示垂直极化分量，内圈曲线表示水平极化分量。由方位面的方向图可看出，具有良好的对称性，天线极化以垂直极化为主；在位置1、2和5上，天线辐射方向图几乎在所有方位的电平都大于-5dB；在位置3上，尾翼呈现较明显的遮挡效应，在尾部左、右大约10度范围内方向图出现了不超过-10dB的凹陷。由滚转面的方向图可看出，也具有良好的对称性。单极子天线本身的特性决定了在飞机正上方和正下方一定范围内具有通信盲区；天线安装在机身上部时，对上半空间的覆盖最好，普遍对下半空间覆盖变差，但是位置1和3上的天线在下半空间的覆盖较好，几乎可以获得与机身下部天线类似的水平线以下约30度范围内的良好覆盖；位置5在水平线以下约50度范围内的方向图最小电平基本都大于-5dB；安装在2上的天线由于机翼的遮挡作用，对下半空间的覆盖很差。由俯仰面的方向图可看出，由于机身和尾翼的遮挡，安装在机背上的VHF天线在后部下半空间的覆盖都很差，从位置1到3上的天线对前部下半空间的覆盖逐渐变差。龙源期刊网综合以上天线辐射空间覆盖的分析可知：机身上部天线对上半空间的覆盖好于下部天线，机身下部天线对下半空间的覆盖好于上半空间，机身上部较好的天线位置依次是1和3，较差的是2；机身下部的两个天线位置中的5较好，4稍差。3结论本文介绍了甚高频天线布局时需要考虑的问题，通过对某民机甚高频通信天线在机身上几个不同安装位置的辐射特性进行仿真分析，建议甚高频通信天线在该民机机身上较好的布局点在1、3和5，4稍差，VHF天线在布局时应尽量远离垂直尾翼、起落架、机翼等部位。VHF天线安装在机身上中部，由于机翼的屏蔽作用，使得天线方向图变坏，影响与地面指挥台双向通信作用距离，应尽量避免安装在该位置。参考文献[1]梁福生，王广学.飞机天线工程手册[M].北京：中国民航出版社，1997.[2]蒋枫.飞机设计手册[M].北京：航空工业出版社，2001.作者简介宁敏（1985-），女，广西壮族自治区柳州人。现为上海飞机设计研究院工程师。研究方向为天线布局，闪电HIRF防护。作者单位上海飞机设计研究院上海市200212