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利用天线切换技术增强机载超短波后向通信能力
引言
机载超短波通信主要功能是保障飞机与地面站、飞机与飞机之间视距通信.机载超短波通信天线通常采用垂直极化天线,天线水平面方向图为全向[1].机载超短波天线布设的主要原则：一是天线与电台之间的射频连接电缆最短,信号衰减小；二是通信方向机身对天线遮挡小,获得最佳的视距通信效果.实践已经证明满足上述两项原则的机载超短波天线理想的安装位置在飞机机背、机腹中轴线蒙皮上.为了避免同址干扰,在实际工程应用中通常将多条超短波通信链路的发射天线置于机背中轴线,接收天线置于机腹中轴线[2].
本文结合机载超短波通信链路的通信需求,基于FEKO软件环境分析对比了机身遮挡对不同装机位置的发射天线的影响程度,越靠近主旋翼的发射天线受机身遮挡越明显,天线水平面增益明显下降,造成其后向通信能力尤其是在远距离通信时弱于远离主旋翼的发射天线.针对上述问题,提出了利用天线切换技术提高后向通信能力的方法,给出了工程化应用实施方案,硬件改动只需要增加一副天线和一个切换矩阵,投入成本低、无研制风险,以极低的代价增强了机载超短波后向通信能力,最后对改进后的天线效能进行仿真,实现为机载超短波通信天线布局提供理论支撑之目的.
一、天线遮挡分析
接收机输入端口信号电平值相对于噪声电平大小,是实现超短波有效视距通信的基础.即接收机信噪比必须满足不同模式下接收机的规定值,且接收机输入端口信号电平要大于接收机灵敏度.
在自由空间中,接收机输入端口信号电平可以通过下面的公式进行表示[3]：
PR等于PT+GT+GR-LT-LR-LT/R
式中：
PR——接收机输入端口信号电平dBm；
PT——发射机输出端口信号电平dBm；
GT——发射天线增益dB；
GR——接收天线增益dB；
LT——发射机输出端口至发射天线之间的损耗dB；
LR——接收天线至接收机输入端口的损耗dB；
LT/R——发射和接收天线之间的传输损耗dB.
上式中,当发射机、接收机等研制好后,其特性通常固定,在设备舱安装好后,发射机输出端口至发射天线之间的损耗LT 以及接收天线至接收机输入端口的损耗LR 也相应的确定.而超短波天线研制阶段,通常用一平板作为天线反射面,实际装机后天线方向图受机身影响较大,这需要通过对超短波天线进行合理优化布局设计,尽可能减小机身对通信对象区域的遮挡,从而提高超短波通信能力.
某机载平台基于任务需求,最少需在狭小的机背布置数面超短波发射天线,越靠近主旋翼旋翼轴,机体对天线后向水平面方向图造成的影响越大.图1 所示的飞机上两个典型位置上各安装1 幅天线,1COM 天线最靠近机头,2COM 天线最靠近机翼.利用FEKO 软件,选择MLFMM 算法进行仿真分析,图2 曲线表示2COM 天线相比1COM 天线由于飞机机体遮挡导致水平面天线增益的衰减值.
从图2 可以看出,由于机体遮挡2COM 天线较1COM 天线在水平面后向较大角度范围内增益明显下降：
1）当天线工作在108MHz,尾翼方向正负60°范围内天线增益下降-14dB~-3dB；
2）当天线工作在141MHz,尾翼方向正负60°范围内天线增益下降-23dB~-3dB；
3）当天线工作在174MHz,尾翼方向正负60°范围内天线增益下降-27dB~-3dB.
当飞机高度在8000 米左右且通信距离大于100 千米时,无论空地还是空空通信,无线电信号的传输方向近似接近水平,在对图2 仿真结果的分析中,此种应用场境下,2COM增益较1COM 天线下降最大达27dB,如此大的信号衰减对通信效能尤其是远距离通信的影响是显而易见的.
二、天线切换技术
在机腹尾部加装一副超短波发射天线3COM,并采用天线切换技术,能够抵消2COM 发射天线后向超短波通信能力的影响,保障链路通信效能,由于机腹靠近机头区域已经安装多幅超短波接收天线,考虑到收发天线之间的隔离度需求,将补盲天线安装于靠近机尾中轴线上,布局图如图3 所示.
除了舱外需要加装补盲天线外,对舱内设备的主要改动是增加一个切换矩阵[4],同时对接口控制模块进行适应性改进,增加天线切换控制接口,根据平台应用需求设计切换算法,通过RS485 总线控制切换矩阵,实现发射射频信号的通路选择,通过机背发射天线或者机腹补盲天线向空间辐射,组成如图4 所示.其中切换矩阵由开关单元、电源处理单元以及接口控制单元三部分组成.
1）开关单元：实现天线之间的选择切换,考虑切换开关和接插件等带来的插损,加装切换矩阵后插损能够控制在0.5dB 以内；
2）电源处理单元：为切换矩阵内部各单元提供所需要的各种直流供电电源；
3）接口控制单元：实现切换矩阵与系统接口的驱动电平转换,完成通信接口协议处理,并按内部射频电路的要求,提供对射频单元的内部控制.
加改装后,只有发射工作流程做出相应变化,即切换矩阵只对发天线有效,流程如下：经过电台编码调制的射频信号经功放放大、再经切换矩阵进行通道选择等处理,常规方式下送机背2COM 发射天线进行发射,补盲方式下送机腹3COM 补盲天线进行发射.
天线切换算法可分为手动或自动两种方式：
1）手动方式：操作员根据本次任务航向规划获取通信对象位置,若通信对象在后向区域,则在进行链路参数时,手动设置切换矩阵工作在补盲方式,否则切换矩阵仍然工作在正常方式；
2）自动方式：系统管理软件根据数据处理模块实时上报的通信对象平台位置信息以及任务导航系统周期组播的本机位置及姿态信息,并根据实时应答率判断是否进行切换,切换过程全自动化,从而减少操作员工作量.
三、补盲天线效能分析
针对2COM、3COM 两幅超短波发射天线装机后的水平面天线方向图进行仿真分析, 图5 表示3COM 天线相比2COM 天线水平面天线增益的增加量.
从图5 可以看出,利用天线切换技术,3COM 天线较2COM 天线在水平面后向较大角度范围内明显提高天线增益：
1）当天线工作在108MHz,水平面尾翼方向正负60°范围内天线增益增加5dB~21dB；
2）当天线工作在141MHz,水平面尾翼方向正负58°范围内天线增益增加5dB~23dB；
3）当天线工作在174MHz,水平面尾翼方向正负52°范围内天线增益增加5dB~30dB.
加装的补盲天线和正常发射天线、接收天线同型号,根据以往天线装机后实测的驻波比在整个工作频段内小于2.5.
由于在机腹加装超短波发射天线,除了要考虑装机后的天线方向图、驻波比之外还要考虑加装的发射天线与原机腹接收天线之间的隔离度.考虑最严苛情况,图6 表示加装的3COM 与机腹位置最近的一副接收天线之间的隔离度,仿真结果表明天线隔离度至少41dB,和加装前机背机腹收发天线隔离度接近,按以往工程经验不会产生共址干扰[5].
四、结论
本文利用商用电磁场仿真软件对不同装机位置的机背发射天线增益进行分析,结果表明位置越靠近主旋翼旋翼轴的天线受机身遮挡越明显,提出了一种天线切换技术,当通信对象位于后向区域时,通过机腹补盲天线提高后向通信能力的方法,即使由于加改装增加的切换矩阵会带来额外0.5dB的损耗,但和增加的天线增益相比可以忽略不计,对于整个超短波链路的能力提升也是有帮助的,仿真结果表明该方法简单可靠,可直接应用于超短波链路的加改装设计,给出的加改装方案简单可行,可用于工程实际.
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