某型支线客机机载高频天线方案论证

某型支线客机机载高频天线方案论证

孟萍

中航西飞民用飞机有限责任公司，西安 710089

摘 要：本文针对某型支线客机特点，提出一种机载高频天线设计方案，并从天线性能、安装要求等方面对设计方案进行详细说明，表明了该方案的可行性。

关键词：机载高频天线；设计方案；支线客机

引言

在当前的民用航空领域，高频通信系统主要为偏远地区、跨洋飞行或甚高频不能完全覆盖的区域提供地空通信服务，能有效解决偏远地区通信及甚高频通信覆盖盲区问题，对飞行安全起着非常重要的保障作用。

本文主要介绍高频天线的设计方案。

1 系统架构

某型支线客机安装有一套独立的高频通信系统，用于在航路上和终端域中完成空地、空空之间的远距话音通信任务。每套高频通信系统由一台高频收发信机、一台高频天线耦合器和一个配套的高频天线组成。高频收发信机可在2.0Mhz~29.9999MHz的频率范围内进行调谐，支持1Mhz的频率间隔。高频收发信机安装在飞机的后设备舱内，高频天线耦合器安装在飞机的背鳍内。

2 基本要求

依据该型支线飞机的结构外形特点和高频通信系统的功能性能要求，对天线的基本性能提出如下要求：

天线和飞机垂尾前缘共形；

工作频段：2.0～30.0MHZ；

天线应能和飞机的天线耦合器调配良好，在2.0~30.0MHz工作频率范围内，高频天线均能实现与天线耦合器的阻抗匹配。

天线方向图应良好，在2.0~30.0MHz工作频段内，0°~360°方位范围内，天线方向图凹陷不低于-28dB；

承受功率：150W-500W；

通信距离：1000-2000km。

3 方案论证

3.1 基本方案确定

根
据飞机结构，初步确定了天线的安装位置、基本结构和尺寸。天线安装在垂尾前缘，其前缘和主体部分间是垂尾的辅助前梁。安装位置如图1所示。

图1 高频天线安装位置

天线的可能长度为2.5～2.8米，这样在工作频段内，天线的电长度为λ/60～λ/3.4，基本上属于电小天线范畴。由于特殊的安装环境对该天线的性能有较大影响，因此天线的选型非常重要。常见的方案有两类，可根据不同环境或安装结构进行选择。

1. 缝隙天线

对于全金属蒙皮垂尾,可在金属蒙皮上开一个L形的槽缝，在缝隙的底端接馈源，构成一个缝隙天线，这一方案技术成熟，已有多个可行成果，如新舟60、ARJ-21、C919、波音系列等。

此类天线要求所开缝隙内不得有金属结构与金属管路，缝隙内的蒙皮与翼肋可改为玻璃钢，整个垂尾构成了垂尾缝隙短波天线。

一般缝隙的长度约为2.6米至2.8米，缝隙宽约为200-300毫米。

图2 缝隙天线示意图

2. 回线天线

缝隙天线的一种变形，如果垂尾前缘蒙皮采用非金属材料，在前缘内部布置一个金属制的回线天线，其形状和工作原理与缝隙天线类似，因此可以保证较好的辐射特性与调配特性。

回线天线所对应的前缘蒙皮必须是采用环氧玻璃纤维复合材料的透波结构，不可采用碳纤维材料，以保证天线的辐射。天线直接安装在蒙皮内部,可以装在前辅助梁上。

天线的长度约2.5至2.8米，天线的高度约300毫米，天线应能安装在环氧玻璃纤维复合材料垂尾前缘下，由于天线的功率较大，因此，回线天线的最小金属导体的尺寸应大于50-100毫米，在垂尾

前缘安放天线的位置，不应有其他金属元件，在天线的馈源附近，不能有多余的金属元件。

图3 回线天线示意图

根据飞机的结构，由于垂尾前缘采用非金属材料，因此高频天线只能采用回线形式。

3.2 天线结构设计

我们在同样的安装位置设计了三种不同形式的天线，分别为基本回线天线、均匀开槽回线天线、非均匀开槽回线天线。其中，开槽天线是基本回线天线的改进，在天线基本尺寸不变的条件下提高天线低频段的性能。

我们使用全波仿真软件来计算2-30MHz频段内三种形式回线天线的输入阻抗与方向图，得出天线输入阻抗仿真计算结果，并对计算结果进行分析对比。

仿真计算结果表明，三种天线在整个短波工作频率范围内，水平面方向图全向性均良好，个别频点的辐射存在凹陷，但在技术指标要求范围内。天线输入阻抗实部在高频工作频段内均大于0.01欧姆，可满足天线耦合器的要求，三种天线的阻抗分别对工作频段的高中低端有所侧重，可通过试验确定。三种天线的性能均满足技术要求。

从输入电阻的角度上，开槽天线的性能优于基本回线天线，特别是在频率低端，在频率高端开槽天线的电阻低于基本回线天线，但由于此时频率高端的输入电阻达到数欧姆级别，对天线调配特性的影响是较小的，对天线的影响要远远低于低频段。

根据方向图的仿真计算结果，三种天线大部分频点机头方向辐射较强，有利于机头方向的通信。与基本回线天线及均匀开槽天线相比，非均匀开槽天线的全向性要稍好，其次为基本回线天线，均匀开槽天线稍差。

综合以上对输入阻抗与天线方向图仿真结果的分析，基本回线天线结构简单，可靠，但低频段的性能稍差，由于该型支线客机的高频通信系统对低频段没有特别的要求，且综合考虑实施难度、成本等因素，选定基本回线天线作为高频天线的最终方案。

4 总结

本文根据某型支线客机垂尾的具体结构和尺寸提出了一种机载高频天线的设计方案，即一种安装在飞机垂尾上且与垂尾共形的基本回线天线，同时针对该型天线进行了飞机整机阻抗与方向特性仿真计算，得出的计算数据可满足技术指标要求。

基本回线天线结构简单、可靠，但低频段的性能稍差。如果对低频段没有特别要求，该型基本回线天线能够满足支线客机高频通信系统的设计要求。

参考文献

[1] 李航，叶宝玉，典型民航飞机通信系统 [M].西北工业大学出版社，2016.

[2] 约翰·克劳斯，天线 [M].电子工业出版社，2007

[3] 殷际杰，微波技术与天线 [M].电子工业出版社，2012

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