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1、引言
民用飛機通常利用高頻(HF)通信天線進行空地之間遠距離通信。早期的高頻通信天線主要有拉索天線、尾帽天線、探針天線和缺口天線等形式，但均有不可克服的缺點，現代民用飛機中已基本淘汰。裂隙并饋天線較好的克服了以往天線的缺點，但是需要在飛機垂尾前緣蒙皮上開槽，從而導致電磁泄露進垂尾結構內部，可能導致垂尾內部電磁干擾問題，為此需要加裝屏蔽罩進行電磁加固，加裝屏蔽罩是解決方法之一，那么天線罩安裝對天線造成的影響研究是必要的。
2、基本原理
民用高頻通信系統輸出功率峰值高達 400W。由于天線是整個垂尾結構的一部分，如圖 1 所示，其 L 型絕緣區導致了垂尾結構的完整性，在 L 型裂隙后部為垂尾的加強梁，梁上開有減重孔（如圖 2 所示），這會導致其大功率的電磁輻射在垂尾上產生強電磁感應，對安裝在該區域附近的設備及線纜可能產生電磁干擾。需要考慮在不破壞飛機垂尾結構的前提下對高頻天線的輻射能量采取相應的屏蔽隔離措施，降低高頻天線電磁能量的潛在影響，為此設計了天線屏蔽罩以隔離天線與垂尾內部的電磁能量耦合路徑，從而保護飛機安全。天線屏蔽罩如圖 2 所示。
圖 1 高頻天線示意圖
圖 2 L 型裂隙內部結構
從圖可見高頻天線對垂危的影響主要通過加強梁上的孔縫耦合導致，目前對于孔縫耦合的研究，大致有兩種方法:第一種是解析法：如 Senior 在阻抗帶的積分方程基礎上，根據巴比涅原理，得到了一個關于填充有耗材料的縫內部電(磁)流的積分方程。雖然由所得的積分方程不能得到解析解，但如果近似認為縫的寬度很小，將其與數值方法所得的結果作比較，便可以導出精確的經驗公式。第二種是數值計算法：如 FDTD 法、有限積分法、矩量法、有限元法等。數值方法可以將微分方程化為差分方程，將積分方程中的積分化為有限求和從而建立代數方程組。在邊界條件比較簡單的情況下，可以用解析法來求其精確解。實際工程中常常遇到的是邊界條件復雜的問題，此時，解析法己經不能很好的解決。隨著大容量高速度的電子計算機技術的迅猛發展，數值計算方法得到了廣泛的應用。仿真速度和計算精度主要取決于算法，在計算精度方面，矩量法精度最高，有限元次之，時域有限差分法最差。因此選用基于矩量法的 CAE 軟件——FEKO 開展研究，同時 FEKO 軟件提供了 CATIA 等工程接口，能夠對復雜目標進行精確建模和求解。
首先對 CAE 軟件進行驗證，建立模型如圖 3，模擬艙室尺寸：6.5m×1.5m×3.5m，開孔在 6.5m×1.5m 的面上，孔直徑 0.05m。艙室外入射波的頻率為 10kHz—200MHz。
圖 3 孔縫耦合計算模型示意圖
初步分析該模型為諧振腔開孔縫模型，當平面波照射腔體時，腔體內將產生 TE 波和 TM 波。取體中心點為采樣點，以模型中示意為例，入射波為平面波，入射方向與 Z 軸方向平行，電場極化方向沿 X 負軸方向。入射波進入腔體之后，會產生各種方向的感應場，因其電場極化方向為 X 軸方向，所以腔體內的電場也主要以 X 軸方向分量最大，Ey、Ez 也存在，只是值較小。以 EX 為例，由公式可知，在觀察體中心點處，TM 波為 0，只有 TE 波。
由 CAE 仿真得出的波形如圖 4 所示：
圖 4 艙室中心處 Ex 分量隨頻率變化波形
從分析計算結果和 CAE 計算的結果對比來看，FEKO 仿真計算結果與公式計算的結果保持一致。表明 FEKO 軟件可以精確的用于孔縫耦合計算。
3、仿真計算
3.1 仿真模型
由于數值計算的計算量大，考慮到影響天線電流分布最大的是垂尾部分，對整架飛機進行求解比較困難且不是必須的。為了減少計算工作量，只考慮整個垂尾。本文采用基于矩量法的商業 CAE 軟件——FEKO 進行計算。仿真計算模型如圖 4 所示：某型飛機垂尾結構為鋁合金材料，因此計算中表面設置為良導體；為了進一步減少計算量，高頻通信天線的“L”型裂隙中填充的介質材料設置為自由空間。天線的輻射功率、饋電端口電壓均為歸一化值。考慮到算法的精確度，面元變長設置為λ/6，其中λ是天線工作頻段內最小的自由空間波長。在天線上進行了更為精確的剖分，剖分單元變長為λ/20。計算頻帶為高頻工作頻段，即 2MHz-30MHz，設置頻率間隔為 500KHz。
圖 5 FEKO 計算模型
3.2 計算結果
1、屏蔽罩防護效能計算結果
首先采用 FEKO 軟件對安裝天線屏蔽罩前后垂尾內部電纜上的感應電流進行計算，已確定安裝天線罩后對垂尾內部電纜上電磁防護效果，計算結果如圖 6 所示：可以看出屏蔽罩為垂尾內部的電纜提供了高達 40dB 的防護，可見屏蔽罩的設計達到了預期效果。
圖 6 安裝天線屏蔽罩前后垂尾內部電纜感應電流
2、天線罩對天線阻抗影響計算
由于屏蔽罩安裝與高頻天線有低阻通道連接，必然會對高頻天線的阻抗和輻射產生影響，因此進一步計算了安裝屏蔽罩前后天線阻抗如圖 6 所示：從計算結果來看，安裝天線屏蔽罩對天線的阻抗影響可以忽略不計。這表明安裝天線屏蔽罩不會影響天線的調諧和輻射特性。
圖 7 天線安裝屏蔽罩前后阻抗對比
3、天線輻射方向圖計算
為了進一步驗證天線罩對天線輻射方向圖的影響，對整個飛機進行了 CAE 計算。計算所得方向圖如圖 8 所示：
圖 8 三維天線方向圖對比
圖 9 是部分頻率點安裝屏蔽罩前 / 后的天線方向圖對比。Farfield_shield 曲線為安裝屏蔽罩的方向圖，Farfield 曲線是未安裝屏蔽罩的方向圖曲線。可見兩個曲線基本重合。
圖 9 安裝天線屏蔽罩前后的輻射方向圖（8MHz）
4、分析與結論
從天線安裝屏蔽罩前后線阻抗和輻射方向圖 CAE 計算結果來看，安裝屏蔽罩后可以為飛機垂尾內部電纜感應電流提供 40dB 的衰減，同時天線阻抗和輻射方向圖曲線前后變化非常小，因此認為屏蔽罩的影響可以忽略。從整個方向圖曲線來看，機頭方向輻射最強，機尾稍弱，符合設計預期。可見高頻天線屏蔽罩結構設計、安裝合理，未對高頻天線的輻射方向圖不會產生不利影響，滿足設計要求。可見本文的計算模型建模方法正確，計算軟件和算法選擇適當。在高頻天線屏蔽罩設計之初，可以通過 FEKO 仿真計算表明了設計合理有效，簡化了設計階段的試驗驗證，加快了設計進程，降低設計風險。在實際工程實踐中，這種方法和思路值得借鑒。
