1 引言
隨著電子技術的飛速發展，直升機的功能和性能不斷提高，在狹窄的直升機上分布了大量的機載電子設備。其中天線是輻射和接收電磁波的重要傳感器，是直升機無線通信系統中的重要組成部分。為了實現綜合提高直升機的性能，天線的小型化和寬帶化研究成為了天線研究中的一個重要課題。
2 理論分析
2.1天線輻射特性
IEEE官方將天線定義為："發射或接收系統中，設計用于輻射/接收電磁波的部分。"天線輻射具有方向特性，即空間中電磁功率密度經過天線輻射出去時強度與相對于天線所成角度有關。以天線所在位置為球心，在半徑為r的球面上，天線輻射場強大小可以表示為：
公式1 天線輻射場強大小計算公式
其中，A(r)為幅度因子，f(θ,ψ)為方向因子，稱為天線的方向性函數。
利用天線的方向性函數在各種坐標系中所繪出的能夠表征天線方向特性的圖稱之為天線的方向圖。天線方向圖是衡量天線性能的重要圖形，可以從天線方向圖中觀察到天線的各項參數，如天線增益、主瓣寬度，旁瓣電平，前后比等。天線增益可以定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度，本文中將對其進行重點關注，因此對天線增益的定義及計算方法進行簡單介紹。天線增益有兩種定義：
1、天線增益可定義為在相同的輸入功率下，某天線在空間某點產生的電場強度的平方與理想無方向性點源天線在同一點產生的電場強度平方的比值：
公式2 天線增益定義一
2、天線增益也可以定義為在某點產生相等電場強度的條件下無方向性電源天線輸入功率Pin0與某天線的總輸入功率Pin之比：
公式3 天線增益定義二
天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發信號的能力，相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。
2.2超短波天線
超短波電臺作為機載通信系統中重要的組成部分，它主要負責語言傳輸，對地，對空通信，同時也是戰術數據鏈中的組成部分。隨著戰場信息化技術的發展，機載超短波通信已不僅僅是語音通信，還有數據傳輸和圖像傳輸的要求。因此，需要配置具有寬帶特性的天線。
為了滿足直升機設備的輕型化和跳頻通信的寬帶化條件，該超短波電臺使用了小型化和寬帶化的刀型天線。刀型天線因其在VHF和UHF波段能使它的增益、輸入阻抗和方向圖等電性能參數保持穩定以及體積小、重量輕的特點，已廣泛的運用在機載天線中。
3 仿真分析
3.1超短波天線建模
通過對馬刀天線的結構進行研究，建立了馬刀天線的模型。其中馬刀天線的結構示意圖如圖1所示。
圖1 馬刀天線結構示意圖
通過對馬刀天線進行研究分析，設計得到的馬刀天線參數如表1所示，其中建立的仿真模型如圖2所示。
表1 天線模型參數(mm)
其中傾斜度為w2左端點與w1左端點x方向的坐標差值與h的比值。
圖2 馬刀天線仿真模型
3.2超短波天線自由空間輻射特性
由于需要對該天線的裝機特性進行分，因此本文采用矩量法對馬刀天線的輻射特性進行研究分析。在自由空間使用矩量法分析天線的輻射特性，對于裝機特性則使用快速多極子分析天線的輻射特性。該天線在自由空間中的駐波比特性如圖3所示。該天線在100MHz-1GHz范圍內的駐波比小于2，隨著頻率的增加天線的駐波比數據逐漸減小。在108MHz處的駐波比大約為2，滿足該超短波接收機的接收要求。
圖3 自由空間天線駐波比
圖4 自由空間輻射特性：E面方向圖(左圖)與3D輻射方向圖（右圖）
圖4為該馬刀天線在108MHz時，自由空間中的E面輻射方向圖和3D輻射方向圖，由于該天線安裝于尾梁上，主要對四周的電磁波進行接收。從方向圖可以看出該天線滿足超短波接收機對地、對空的通信要求。同時該天線的增益為2.81dB，滿足超短波天線的要求。
3.3機載超短波天線輻射特性
該天線在直升機上的安裝位置如圖5所示，其中飛機的尺寸為22×18.6×7.8m，由于該飛機尺寸較大，因此，采用快速多極子對天線的裝機性能進行仿真計算，并將天線的網格模型進行局部加密如圖6所示，以增加計算精度該馬刀天線的裝機駐波比數據如圖7所示，將自有空間天線的駐波比數據和裝機天線的駐波比數據進行對比：裝機后天線在高頻的駐波比數據開始變大，同時低頻段的駐波比也變大，但在100MHz-1GHz內的駐波比保持在2以下，滿足該超短波系統的要求。
圖5 馬刀天線裝機位置
圖6 天線網格局部加密
圖7 天線裝機后的駐波比曲線
圖8為裝機后天線在108MHz處的裝機方向圖特性，由于飛機旋翼、發動機整流罩和尾翼的影響，使得天線的方向圖開始畸變。從方向圖中可以看出，該天線在靠近尾翼處存在盲點，但是該超短波系統使用三套天線分別位于尾梁、尾翼和發動機整流罩附近，進行相互補償，因此，該超短波天線裝機性能滿足通信要求。
圖8 裝機輻射特性：E面方向圖（左圖）與3D方向圖（右圖）
4 結果分析
本文使用FEKO中的矩量法和快速多極子算法分別對馬刀天線在自由空間的方向圖和裝機方向圖進行了仿真分析。通過對比超短波天線在自由空間和裝機后的輻射特性可以看出，在裝機前后天線輻射特性改變明顯，主要體現在一下兩方面：一是裝機后駐波比在高頻段和低頻段有所提高；二是裝機后天線方向圖發生畸變，并且在尾翼附近存在盲點。由于駐波比在天線工作頻段內仍滿足接收機性能要求，而且實際直升機超短波天線會采用3組天線對方向圖進行相互補償，因此機載超短波天線的輻射特性仍能滿足超短波接系統的性能要求。
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本文標題：基于FEKO的機載超短波天線輻射特性分析
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