1 引言
随着电子技术的飞速发展，直升机的功能和性能不断提高，在狭窄的直升机上分布了大量的机载电子设备。其中天线是辐射和接收电磁波的重要传感器，是直升机无线通信系统中的重要组成部分。为了实现综合提高直升机的性能，天线的小型化和宽带化研究成为了天线研究中的一个重要课题。
2 理论分析
2.1天线辐射特性
IEEE官方将天线定义为："发射或接收系统中，设计用于辐射/接收电磁波的部分。"天线辐射具有方向特性，即空间中电磁功率密度经过天线辐射出去时强度与相对于天线所成角度有关。以天线所在位置为球心，在半径为r的球面上，天线辐射场强大小可以表示为：
公式1 天线辐射场强大小计算公式
其中，A(r)为幅度因子，f(θ,ψ)为方向因子，称为天线的方向性函数。
利用天线的方向性函数在各种坐标系中所绘出的能够表征天线方向特性的图称之为天线的方向图。天线方向图是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察到天线的各项参数，如天线增益、主瓣宽度，旁瓣电平，前后比等。天线增益可以定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度，本文中将对其进行重点关注，因此对天线增益的定义及计算方法进行简单介绍。天线增益有两种定义：
1、天线增益可定义为在相同的输入功率下，某天线在空间某点产生的电场强度的平方与理想无方向性点源天线在同一点产生的电场强度平方的比值：
公式2 天线增益定义一
2、天线增益也可以定义为在某点产生相等电场强度的条件下无方向性电源天线输入功率Pin0与某天线的总输入功率Pin之比：
公式3 天线增益定义二
天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。
2.2超短波天线
超短波电台作为机载通信系统中重要的组成部分，它主要负责语言传输，对地，对空通信，同时也是战术数据链中的组成部分。随着战场信息化技术的发展，机载超短波通信已不仅仅是语音通信，还有数据传输和图像传输的要求。因此，需要配置具有宽带特性的天线。
为了满足直升机设备的轻型化和跳频通信的宽带化条件，该超短波电台使用了小型化和宽带化的刀型天线。刀型天线因其在VHF和UHF波段能使它的增益、输入阻抗和方向图等电性能参数保持稳定以及体积小、重量轻的特点，已广泛的运用在机载天线中。
3 仿真分析
3.1超短波天线建模
通过对马刀天线的结构进行研究，建立了马刀天线的模型。其中马刀天线的结构示意图如图1所示。
图1 马刀天线结构示意图
通过对马刀天线进行研究分析，设计得到的马刀天线参数如表1所示，其中建立的仿真模型如图2所示。
表1 天线模型参数(mm)
其中倾斜度为w2左端点与w1左端点x方向的坐标差值与h的比值。
图2 马刀天线仿真模型
3.2超短波天线自由空间辐射特性
由于需要对该天线的装机特性进行分，因此本文采用矩量法对马刀天线的辐射特性进行研究分析。在自由空间使用矩量法分析天线的辐射特性，对于装机特性则使用快速多极子分析天线的辐射特性。该天线在自由空间中的驻波比特性如图3所示。该天线在100MHz-1GHz范围内的驻波比小于2，随着频率的增加天线的驻波比数据逐渐减小。在108MHz处的驻波比大约为2，满足该超短波接收机的接收要求。
图3 自由空间天线驻波比
图4 自由空间辐射特性：E面方向图(左图)与3D辐射方向图（右图）
图4为该马刀天线在108MHz时，自由空间中的E面辐射方向图和3D辐射方向图，由于该天线安装于尾梁上，主要对四周的电磁波进行接收。从方向图可以看出该天线满足超短波接收机对地、对空的通信要求。同时该天线的增益为2.81dB，满足超短波天线的要求。
3.3机载超短波天线辐射特性
该天线在直升机上的安装位置如图5所示，其中飞机的尺寸为22×18.6×7.8m，由于该飞机尺寸较大，因此，采用快速多极子对天线的装机性能进行仿真计算，并将天线的网格模型进行局部加密如图6所示，以增加计算精度该马刀天线的装机驻波比数据如图7所示，将自有空间天线的驻波比数据和装机天线的驻波比数据进行对比：装机后天线在高频的驻波比数据开始变大，同时低频段的驻波比也变大，但在100MHz-1GHz内的驻波比保持在2以下，满足该超短波系统的要求。
图5 马刀天线装机位置
图6 天线网格局部加密
图7 天线装机后的驻波比曲线
图8为装机后天线在108MHz处的装机方向图特性，由于飞机旋翼、发动机整流罩和尾翼的影响，使得天线的方向图开始畸变。从方向图中可以看出，该天线在靠近尾翼处存在盲点，但是该超短波系统使用三套天线分别位于尾梁、尾翼和发动机整流罩附近，进行相互补偿，因此，该超短波天线装机性能满足通信要求。
图8 装机辐射特性：E面方向图（左图）与3D方向图（右图）
4 结果分析
本文使用FEKO中的矩量法和快速多极子算法分别对马刀天线在自由空间的方向图和装机方向图进行了仿真分析。通过对比超短波天线在自由空间和装机后的辐射特性可以看出，在装机前后天线辐射特性改变明显，主要体现在一下两方面：一是装机后驻波比在高频段和低频段有所提高；二是装机后天线方向图发生畸变，并且在尾翼附近存在盲点。由于驻波比在天线工作频段内仍满足接收机性能要求，而且实际直升机超短波天线会采用3组天线对方向图进行相互补偿，因此机载超短波天线的辐射特性仍能满足超短波接系统的性能要求。
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本文标题：基于FEKO的机载超短波天线辐射特性分析
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