中国西南电子技术研究所 郭 晨

针对直升机超短波通信需求，分析了超短波天线受装机环境的影响。通过仿真与试飞方向图测试数据的对比，验证天线装机性能仿真的准确性。根据仿真分析结果，可准确评估直升机任意机动角度下，天线装机性能是否满足通信距离要求。该分析方法可应用于直升机超短波天线布局设计。

机载平台为了实现与各个方向上、多种协同通信目标的超短波通信，通常选用增益较低的全向天线形式的超短波天线。受直升机平台机身小、机背不平坦、机腹外挂设备多等装机环境的影响，直升机超短波天线装机方向图会产生畸变，天线增益在某些方向上更低，从而限制直升机超短波通信功能的通信距离和通信质量。因此，对超短波天线装机性能进行准确的评估显得更为重要。

传统的超短波天线布局仿真仅分析天线装机后，方向图是否畸变以及产生畸变的大体趋势。直升机试飞方向图测试，虽能测出天线装机方向图特性，但该测试耗费大量人力物力，并且测试点数受限于飞行方法及飞行架次，较难测出完整的天线装机方向图。

本文主要针对直升机超短波天线受装机环境影响，在超短波通信功能的角度，分析直升机在任意机动角度下，天线装机性能能否满足通信距离要求。为机载天线装机性能的评估提供新的思路。

1 天线装机性能仿真建模分析

1.1 天线装机影响分析

在超短波天线的工程研制过程中，前期的仿真工作以及后期的测试工作通常基于一定尺寸的金属圆盘或平板（直径或边长为1.5m），该状态与超短波天线的真实装机环境差距很大。如图1所示，通过对天线置于圆盘、局部蒙皮载体和整机状态进行仿真，分析装机环境对天线方向图带来的影响。

图1 超短波天线仿真示意图

直升机机背一般都不平坦，机背上的超短波天线安装面会与水平面成一定夹角，并且天线还会受机头驾驶航、机尾尾翼的遮挡。

图2所示的天线方向图仿真曲线中，超短波天线倾斜安装带来了天线方向图不圆度的恶化（黑线-不圆度1dB，绿线-不圆度6dB），而机身的遮挡使得天线方向图在机头、机尾方向有3-10dB左右的损失。

图2 380MHz频率下天线方向图仿真曲线

由上述仿真结果可以看出，传统的金属圆盘、局部蒙皮载体均不能反映超短波天线真实装机环境带来的影响。

1.2 天线装机模型与实际装机差异分析

图1(c)天线置于整机仿真状态与实际装机是存在差异的，主要表现在：

（1）飞机模型与真实飞机差异

飞机模型作了简化处理，在细节尺寸上与真实飞机存在区别；

（2）飞机装载设备差异

忽略了机载设备（如其它天线、起落架、轮胎、着陆探杆等）对超短波天线（通常安装于机背或机腹）的遮挡影响。

（3）飞机机身复合材料差异

直升机机身在部分区域表面采用复合材料填充，而天线装机仿真时将整个飞机作为金属处理。

通过图3所示算例，初步分析超短波天线受遮挡物影响。图3中，在超短波天线方位0°方向，距天线790mm（对应380MHz的一个波长）放置一个直径为100mm的圆柱体遮挡物，遮挡物高度分别为0.1λ～0.5λ（79mm～395mm）。

图3 超短波天线受遮挡物影响仿真示意图

图4所示的仿真结果，当遮挡物高度为0.1λ时，天线水平面方向图几乎不受影响；当遮挡物高度为0.2λ时，天线水平面方向图不圆度约有1dB左右的恶化；当遮挡物高度为0.3λ～0.5λ时，天线水平面方向图不圆度约有3dB左右的恶化。

图4 380MHz频率下天线方向图受遮挡物影响仿真结果

初步分析超短波天线受复合材料影响，将超短波天线置于涂覆介质材料的金属平板上，其中介质材料厚度为20mm，分别仿真计算介质材料的介电常数为2和6两种情形，并与金属平板表面无介质的情形对比。

图5所示的仿真结果表明，在超短波天线周围涂覆介质材料对天线方向图没有影响。

图5 380MHz频率下天线方向图受介质材料影响仿真结果

结合以上仿真结果，给出天线装机性能仿真建模建议：

（1）应尽量保证飞机模型的准确性，简化模型过程中，尺寸与实际差异最好不超过仿真频率的0.1λ。

（2）天线周围高度超过仿真频率0.3λ的遮挡物应尽量建入仿真模型中。

（3）忽略机身表面复合材料对超短波天线的影响，机身表面均作为金属处理。

图7 直升机方位角、俯仰角示意图

图8 满足通信作用距离空域覆盖图

2 天线装机仿真与实测对比分析

为验证天线装机仿真的准确性，基于某型号的部分超短波天线试飞测试数据，与天线装机状态的仿真结果进行对比分析。测试点处在本次试飞测试仅采集了8个飞行点的数据，每个飞行点对应的飞机航向、飞机姿态角信息、接收电平及天线坐标系方位角数据如表1所示。

表1 外场各测试姿态惯导信息表

表1所示中，天线坐标系下方位角跟飞机航向一致，将飞机俯仰角、横滚角换算为天线坐标系下的俯仰角。

在天线装机仿真结果提取出上述8个点，并与实测结果归一化后，绘制对比曲线。如图6，可以看出除方位角225°以外，天线装机仿真方向图与实测电平趋势基本吻合，验证了天线装机仿真的有效性。

图6 实测与仿真方向图对比

3 天线装机性能分析

从超短波通信功能角度，天线装机性能直接决定了通信距离。通过通信作用距离公式(1)，在明确通信距离要求，预估发射机输出功率、接收机天线增益、发射机馈线损耗、接收机馈线损耗的基础上，可从功能角度得出对天线增益的最小要求。

公式(1)中，Pt为发射机输出功率，Gt为发射机天线增益，Gr为接收机天线增益，Lt为发射机馈线损耗，Lr为接收机馈线损耗，为工作频率。

图9 两种天线布局情形下满足通信作用距离空域覆盖图

从直升机飞行任务剖面角度，应关心直升机的机动角度范围内天线装机性能是否能满足通信距离要求。直升机最大机动角度一般为俯仰角±30°，横滚角±30°，对应到机体坐标系应关心的角域为方位AZ（-180°，180°），俯仰EZ（-30°，30°），如图7所示。

基于某型直升机，根据天线装机仿真增益是否满足通信距离对天线的最小增益要求，得到图8结果。图中黄色区域为天线装机仿真增益达不到最小增益要求的角域，白色区域为天线装机仿真增益满足最小增益要求的角域。

从图8所示中可以看出，机头方向的遮挡对通信距离的影响更为严重，此仿真结果与实际拉距试飞实验中，背台（机尾朝地面通信台）通信距离比向台（机头朝地面通信台）通信距离更远的结果是一致的。

4 天线布局应用实例

以某型直升机为例，在尾梁上方对超短波天线布局位置进行优化。初步选定两个安装位置：（1）尾梁前段，离机头更近；（2）尾梁后段，离垂尾更近。按上节中天线装机性能分析方法，给出两个布局位置满足通信作用距离的空域覆盖图。

图9所示的结果对比，可以很清晰的看出两种布局的优缺点。天线布置于尾梁前段时，天线机头方向通信距离不满足要求，机尾及机身两侧通信距离满足要求；天线布置于尾梁后段时则相反，天线机尾方向通信距离不满足要求，机头及机身两侧通信距离满足要求。

从功能任务剖面来考虑，若更关心直升机前方的通信对象，可选择天线布置于尾梁后段的布局；若更关心直升机后方的通信对象，可选择天线布置于尾梁前段的布局；若直升机前方、后方的通信对象均很重要，则需要继续优化天线布局位置。终上所述，可体现天线装机性能分析方法对天线布局设计的指导作用。

本文针对直升机超短波天线，提出了天线装机性能评估的必要性，分析了仿真与实际装机的差异性带来的影响，给出更接近真实结果的仿真建议。通过仿真与试飞方向图实测数据对比，验证了天线装机性能仿真的准确性。从超短波通信功能的角度，快速分析直升机在极限机动角度范围内，天线装机性能能否满足通信距离要求。本文的工作对机载超短波天线布局设计具有一定的指导意义和借鉴价值。