机载短波天线设计

784 机载短波天线设计 艾夏 史小卫 崔昌云 （西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室，西安，710071） aixia.xidian@gmail.com 摘 要：短波天线作为短波通信的前端，在短波通信系统中有着举足轻重的地位。机载天线作为飞机导航、通信等系统的重要组件，实现远距离通信主要依靠机载短波天线。新型复合材料的使用以及飞机尺寸的增大，是国际飞机发展的潮流。本文针对这一问题，对新型复合材料大飞机机载隐蔽式短波天线做了初步设计，该设计以现有回线天线为蓝本，进行了改进，使其适应新的使用条件，对机载短波天线的设计具有指导意义。 关键词：短波天线,回线天线,方向图,输入阻抗

The design of hf airbone antenna

AI xia, SHI xiaowei, Cui changyun （National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology, Xidian Univ., Xi’an,710071） Abstract: As the front-end of an HF communication system, HF antenna plays an important role in HF communication system. As the important modules of aircraft navigation and correspondence systems ,the remote distance communication mainly depends on the airborne HF antenna. The use of new materials and larger size of aircraft is international issues.In this paper, we design an HF antenna which is on a large aircraft whose surface is new composite material. The design is based on the existing loop antenna, and is improved to adapt to the new conditions that use new materials and larger size of aircraft. Keywords: HF antenna;loop antenna;Radiation Pattern;input impedance

1 引言 随着国内航空航天事业的飞速发展，对机载设备的要求也越来越高。其中电子设备作为通信、导航、火控系统的关键，可以说电子设备性能的优劣，直接影响到飞机是否可以完成既定任务。在机体尺寸增大与复合材料的使用这一新的使用条件下，本文主要研究大型运输机的机载短波天线，该天线主要用于远距离空地之间的通信，在不破坏飞机外形的前提下，必须保证良好的通信质量。

2 机载天线要求[1]

（1）在整个波段内。天线阻抗中的电阻分量 不应小于1Ω，而电抗分量最好不要改变其符

号，绝对值不要超过2000Ω。

（2）在整个波段内，馈线上的电压驻波比应小于2。 （3）匹配器要靠近天线安装，天线输入端与匹配器之间的距离应为最小。对于顶馈天线，如尾帽

天线来讲，此距离不应大于500mm。 （4）为了保证可靠通信距离，天线方向图在飞行线路上不应有深的盲区。

3 机载短波天线设计 3.1 环天线 3.1.1 电小环 电小环天线的电磁场与具有磁矩0

mINA=的

磁偶极子相同，即 201sinjkrjEZkme

krφθ

−

=−



(0.1)

22211sin4jkrkmj

He

rkrkrθθ

π−

=−−−



(0.2)

2221cos2jkrrkmj

He

rkrkrθ

π−

=+



(0.3)

式中0mINA=而0

I是环电流，N是圈数，A是

环面积。坐标系如图3-1所示，环平面垂直于球坐标

系统的极轴，环心在坐标系统原点。在远区，仅式(0.1)、(0.2)中的首项有意义，式(0.3)可忽略，则有 785

20sin

4jkrZkmEerφθ

π−

= (0.4)

2sin4jkrkmHerθθ

π−

=−

(0.5)

显然，Eφ和Hθ在垂直平面内的方向图都是8字形，如图3-2所示。

图3-1 环天线和相应的环坐标 图3-2 电小环天线远区垂直面方向图 环天线激励点的电压和电流通过环的输入阻抗联系起来，即0VZI=。电小环馈电点的阻抗是环外电感cL的电抗、辐射电阻rR和导体内阻抗iiiZRjLω=+

串联而成，即

() rierieiZRZjLRRjLLωω=++=+++

(0.6)

电小环天线的辐射电阻与圈数和面积乘积的平方成正比，即 ()240

6r

ZRkNAπ=

(0.7)

3.1.2 电大环 当环天线的点尺寸增加时，其环上的电流已不再是像电小环天线上的均匀分布了。由图3-3可以看

到，谐振圆环天线电流分布与一对间距等于环直径的同相馈电平行偶极天线大致相似[2]。

图3-3 谐振圆环电流分布与偶极天线的近似等效 3.1.2 矩形环 对于矩形环天线（图3-4），含有馈电点的一边导线长度为H，另一边导线长度为W，宽长比/WHγ=和周长()2CHW=+是两个重要的

结构参数。矩形环天线的输入阻抗曲线和增益曲线分别示于图3-5(a)、(b)中。

图3-4 矩形环天线 786

(a)输入阻抗 (b)增益 图3-5 矩形环天线输入阻抗与增益 3.2 回线短波天线设计 3.2.1 简介 回线天线[3]保证天线性能的基础上,不破坏飞机

的外形,不影响飞机气动性能。在国内Y7-200A和

MA60上已经使用这种天线。该设计是对原有的回线

天线做了一定的改进，使其具有更好的模电特性。 3.2.2 结构 现有的回线天线，是直接在垂尾做一个缺口，让整个垂尾剩下的部分作为回路辐射电磁波。如图3-6所示，该天线是由一段导体环路组成，为了

改良输入阻抗特性，绕制环中间多开了2个槽。在

环路前端即垂尾前缘开一个缺口，使用同轴线进行馈电。 3.2.3 数据仿真结果 仿真模型如图3-7所示。 垂直面方向图如图3-8(a)，根据短波远距离通信的要求，通信距离达到2500-3000KM要有一定的

仰角，从图中可以看出，天线的辐射波束主要集中在水平面及水平面以上的部分内，符合远距离通信

仰角的要求。 水平面方向图如图3-8(b), 天线在水平面内基本是全向的。大多数频率点上，在机头和机尾处接近最大辐射强度。

图3-6 回线天线结构示意图 图3-7 仿真模型示意图

(a) 垂直面方向图 787

(b) 水平面方向图 图3-8 天线方向图 输入阻抗如图3-9所示，输入阻抗实部最大约是1300Ω，出现在22MHz附近，大部分频率阻抗小于

100Ω；而输入阻抗的虚部在22MHz以下呈感性，

在22MHz以上呈感性，基本符合理论分析，为了使

天线与电台匹配，在22MHz以下提供电容匹配，在

22MHz以上提供电感匹配。

图3-9 天线输入阻抗 4 结论 通过以上理论与仿真结果分析，可以得出本设计可以很好的满足机载短波天线的要求。首先，本设计属于隐蔽式天线，不破坏飞机原有的外形，不影响其气动性能。其次，本设计可以很好的满足短波通信的要求，辐射方向图为水平全向，没有很深的盲区。最后，输入阻抗也比较容易匹配。 本设计使用与机体独立的一个开槽环形回路作为回线天线，很好的解决了复合材料给天线设计带来的难题。

参考文献 [1] 梁福生等,飞机天线工程手册,中国民航出版社, 1997. [2] 林昌禄等,天线工程手册,电子工业出版社, 2002 [3] 郭陈江, 丁君, 许家栋, 韦高, "机载隐蔽式短波天线研究," 微波学报, vol. 20, pp. 66-68, 2004. [4] J. Lu Lin, W. O. Price, and D. G. Chapman, "HF antenna coupling on the Boeing 767 AWACS," Atlanta, GA, USA, 1995, pp. 365-367.