艦船結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射性能影響程度的分析

吳 暉，陳 謙，王燕燕，歷園園，姜 弢

(1.海軍駐武漢701 所軍事代表室，湖北 武漢430064;2.中國(guó)艦船研究院，北京100192;3.哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

隨著艦船信息化程度的不斷提高，艦船天線數(shù)量增多。艦船甲板上的金屬結(jié)構(gòu)受到電磁波照射后會(huì)產(chǎn)生反射或散射作用，引起天線輻射方向圖畸變，影響天線的輻射特性，進(jìn)而影響艦船電子設(shè)備，破壞艦船電磁兼容［1－3］。本文基于物理光學(xué)法及物理繞射理論［4－5］，采用專業(yè)的艦船電磁仿真軟件Ship－EDF，計(jì)算艦載天線系統(tǒng)的輻射方向圖，直觀、清晰地分析艦船結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射特性的影響［6－7］。由于艦船桅桿處集中了大量的電子設(shè)備及天線，因此本文重點(diǎn)研究艦船桅桿處的射線追蹤情況和艦船桅桿對(duì)天線輻射特性的影響，以及天線上艦前后方向圖特性對(duì)比，進(jìn)而分析艦船結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射特性影響程度。研究艦船結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射特性的影響程度對(duì)于改善艦船電磁環(huán)境、提高艦船作戰(zhàn)能力、增強(qiáng)艦船生命力具有重要意義［8－10］。

1 艦載天線輻射特性

天線理論中常用于表示天線性能的參數(shù)主要是方向圖、電壓駐波比、輸入阻抗、反射系數(shù)、回波損耗等。其中天線方向圖可以直觀地獲得天線在不同方向輻射或者接收電磁波的能力，天線方向圖可以說(shuō)明天線輻射特性隨著空間位置的變化關(guān)系。

以某艦船為例，研究艦船結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射特性的影響。將工作在S 波段的天線安裝到艦船上層建筑上，并垂直于艦船表面向外輻射電磁波，如圖1所示天線1及天線2。分別計(jì)算天線上艦前后方向圖以及天線在不同位置時(shí)，艦船結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射特性的影響。重點(diǎn)研究艦船桅桿對(duì)天線1 及天線2 輻射特性的影響。

圖1 艦船模型及天線安裝位置Fig.1 Ship model and installation position of antenna

天線安裝到艦船上以后，受到艦船結(jié)構(gòu)的影響，天線方向圖發(fā)生畸變。主要原因是當(dāng)天線輻射電磁波時(shí)，電磁波在艦船結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生的繞射、反射等行為影響了艦載天線系統(tǒng)的散射場(chǎng)，進(jìn)而影響了天線的輻射特性。

為了更加清晰地展示艦船結(jié)構(gòu)對(duì)天線方向圖的影響，采用Delta 增益方法來(lái)顯示，如圖2和圖3所示。

其中，鏈路特性是安裝的天線增益與同一個(gè)天線在自由空間時(shí)增益的比與軟件默認(rèn)的Delta Gain的比得到的。因此，可以用鏈路特性來(lái)表征天線方向圖的特性。Good link 說(shuō)明性能良好，可以正常工作;Uncertain link為不確定鏈路;no link 說(shuō)明不能正常工作。通過(guò)鮮明對(duì)比，可以看到，在自有空間時(shí)天線1的Good link為98.64%，而上艦后的Good link為96.92%，天線輻射特性有一定下降。這說(shuō)明艦船結(jié)構(gòu)在受到電磁波照射后產(chǎn)生的散射場(chǎng)影響了天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，導(dǎo)致輻射性能下降。

2 艦船結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射性能的影響

圖2 天線1 自由空間鏈路特性Fig.2 Link feature of antenna 1 in free space

圖3 天線1 上艦后鏈路特性Fig.3 Link features of antenna 1 in ship

由前面分析可知，天線上艦后，方向圖發(fā)生畸變，輻射特性受到影響。說(shuō)明艦船結(jié)構(gòu)影響了天線的輻射性能。通常艦船上層建筑安裝有大量的電子設(shè)備及天線，尤其是艦船桅桿，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，天線林立。因此重點(diǎn)研究艦船桅桿對(duì)天線輻射特性的影響。并通過(guò)射線追蹤的情況驗(yàn)證艦船桅桿對(duì)天線輻射特性［5］的影響機(jī)理。分別計(jì)算天線安裝在有桅桿及無(wú)桅桿的艦船上時(shí)天線的鏈路特性以及有桅桿及無(wú)桅桿時(shí)的射線追蹤情況。

2.1 艦船桅桿對(duì)天線輻射特性的影響

圖4為有桅桿時(shí)天線1的鏈路特性，圖5為無(wú)桅桿時(shí)天線1的鏈路特性。

從圖4和圖5 可以看出，當(dāng)天線1 安裝在有桅桿的艦船上時(shí)，Good link為96.92%;當(dāng)天線1 安裝在無(wú)桅桿的艦船上時(shí)，Good link為96.02%。

圖6和圖7 分別為艦船有無(wú)桅桿時(shí)，天線2的鏈路特性。對(duì)比可知，有桅桿時(shí)，天線2的Good link為96.53%;無(wú)桅桿時(shí)為96.96%。

天線1 在有桅桿的情況下，鏈路特性較無(wú)桅桿時(shí)好，而天線2 相反。由以上結(jié)果可知，艦船桅桿對(duì)天線輻射性能有一定影響，但不都是使天線性能變差，取決于天線的布局。本例中天線1 安裝在距離桅桿稍遠(yuǎn)的位置，而天線2 距離桅桿較近，因此，導(dǎo)致天線2 在有桅桿時(shí)，性能變差。

圖4 有桅桿時(shí)天線1 鏈路特性Fig.4 Link feature of antenna 1 with mast in ship

圖5 無(wú)桅桿時(shí)天線1 鏈路特性Fig.5 Link feature of antenna 1 without mast in ship

圖6 有桅桿時(shí)天線2 鏈路特性Fig.6 Link feature of antenna 2 with mast in ship

2.2 艦船桅桿到天線的射線追蹤

為進(jìn)一步了解艦船桅桿對(duì)天線輻射特性的影響，計(jì)算艦船桅桿到天線的射線追蹤情況。在桅桿附近取一觀察點(diǎn)，通過(guò)觀察到達(dá)該點(diǎn)的射線數(shù)量，來(lái)判斷場(chǎng)強(qiáng)大小。

圖7 無(wú)桅桿時(shí)天線2 鏈路特性Fig.7 Link feature of antenna 2 without mast in ship

圖8 有桅桿時(shí)天線1 射線追蹤Fig.8 Ray tracing of antenna 1 with mast in ship

圖9 無(wú)桅桿時(shí)天線1 射線追蹤Fig.9 Ray tracing of antenna 1 without mast in ship

由圖8和圖9 可以看出，到達(dá)觀察點(diǎn)處的射線數(shù)量較無(wú)桅桿時(shí)多，且天線周圍射線數(shù)量也較無(wú)桅桿時(shí)多。說(shuō)明，有桅桿時(shí)天線1 輻射性能較無(wú)桅桿時(shí)好的原因是由于艦船桅桿對(duì)天線1 周圍散射場(chǎng)貢獻(xiàn)較大，散射場(chǎng)的適量疊加增強(qiáng)了天線的輻射性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

仿真結(jié)果表明，天線安裝在艦船上以后，天線的輻射特性較自由空間時(shí)都有所下降，即艦船結(jié)構(gòu)對(duì)天線的輻射特性有一定影響。進(jìn)一步分析艦船桅桿對(duì)天線輻射特性的影響得出，天線1 在有桅桿時(shí)比無(wú)桅桿時(shí)的輻射性能強(qiáng)，天線2 在無(wú)桅桿時(shí)比有桅桿時(shí)輻射性能強(qiáng)。說(shuō)明艦船結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射性能的影響還取決于天線的布局，即天線與艦船桅桿的距離。因此設(shè)計(jì)和安裝艦船天線時(shí)，不僅需要考慮艦船結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響，還需要對(duì)天線安裝位置合理布局。這對(duì)于改善艦船電磁環(huán)境、提高艦船作戰(zhàn)能力、增強(qiáng)艦船生命力具有重要意義。

［1］張崎，趙曉楠.RHS 技術(shù)在艦載天線優(yōu)化布局中的應(yīng)用［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，7.

［2］趙勛旺，張玉，梁昌洪.艦載多天線系統(tǒng)電磁兼容性分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(2):252－254.

［3］林澤祥，蘭強(qiáng).天線的電磁兼容技術(shù)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2007(1).

［4］吳文洲，鞠智芹，張永順，等.物理光學(xué)法在天線問(wèn)題上的應(yīng)用［J］.火力與指揮控制，2005，30.

［5］肖慧.物理光學(xué)電磁建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)，2003.

［6］周斌，劉其中，黃偉芳，等.復(fù)雜環(huán)境中天線輻射方向圖的分析［J］.微波學(xué)報(bào)，2006，22.

［7］黃偉芳，劉其中，周斌.大尺寸導(dǎo)體附近線天線的輻射方向圖研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006(5).

［8］余青.艦載平臺(tái)多天線輻射特性及電磁兼容性研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2011.

［9］王寧，沈銳超，劉培國(guó).通信天線對(duì)艦船平臺(tái)電磁環(huán)境影響的仿真研究［D］.中國(guó)，2010.

［10］陳宇，劉少斌.大型艦船在天線輻射下電磁特性的研究，裝備環(huán)境工程［Z］.2011.