潛艇桅桿通信天線發(fā)展研究

宋光明，陳大勇

(海軍裝備研究院，北京 100161)

潛艇桅桿通信天線發(fā)展研究

宋光明，陳大勇

(海軍裝備研究院，北京 100161)

桅桿類通信天線是潛艇通信天線的一種重要形式，作為潛艇通信系統(tǒng)的重要組成部分，是潛艇在潛望狀態(tài)實現(xiàn)對外通信功能的關(guān)鍵。本文從配置、功能、性能等方面對外軍常規(guī)潛艇和核潛艇桅桿類通信天線進(jìn)行分析，研究提出外軍潛艇桅桿類通信天線尤其是多功能通信桅桿天線的發(fā)展趨勢。

潛艇桅桿類通信天線；多功能通信桅桿；發(fā)展趨勢

0 引 言

潛艇通信的工作頻段覆蓋從超低頻到甚低頻、低頻、中頻、高頻、甚高頻、特高頻乃至超高頻等整個頻段，每個頻段的通信系統(tǒng)都需要配備相應(yīng)工作頻段的通信天線。天線作為潛艇通信系統(tǒng)的重要組成部分，是決定潛艇通信功能實現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。桅桿類通信天線是潛艇通信天線的一種重要形式，潛艇可在潛望和水面狀態(tài)使用可升降桅桿通信天線與岸基指揮所之間進(jìn)行短波、衛(wèi)星通信或者與水面艦艇、飛機(jī)之間進(jìn)行超短波協(xié)同通信。頻率覆蓋范圍廣、種類數(shù)量繁多、工作環(huán)境惡劣、天線安裝位置擁擠、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性和可維修性要求高等是潛艇桅桿通信天線的顯著特征[2–3]。近年來，隨著新型潛艇平臺對通信系統(tǒng)功能要求的提升以及對潛艇隱蔽性要求的提高，對桅桿類通信天線的配置和功能提出了很高的要求。

本文從配置、功能、性能和發(fā)展趨勢等方面對外軍潛艇桅桿類通信天線的配置情況進(jìn)行研究和分析，為今后潛艇桅桿通信天線的配置和發(fā)展提供理論支撐。

1 外軍常規(guī)潛艇桅桿通信天線

1.1 德國常規(guī)潛艇

德國最新一代的 212A，214 型潛艇是當(dāng)前國際上最先進(jìn)的常規(guī)潛艇之一，代表了當(dāng)前國際常規(guī)潛艇最高水平。根據(jù)相關(guān)資料，德國潛艇在天線的設(shè)計上采用了通信桅桿集成化和功能模塊化的設(shè)計思想。如在214 型潛艇上裝備有 2 根通信桅桿，其中 1 根通信桅桿上裝有 1 個 HF 天線和 1 個 VHF/UHF/IFF/GPS/INMARSAT-C 組合天線；在另 1 根通信桅桿上裝有 1 個HF 天線和 1 個 UHF 衛(wèi)通天線（可兼顧接收HF/VHF）。桅桿上的每 1 個天線都可以獨立升降，以保證所有天線在水面和潛望狀態(tài)均可正常使用。每根通信桅桿都經(jīng)過水動力優(yōu)化設(shè)計，潛艇可在潛望狀態(tài)12 kn 航速下正常使用，水面狀態(tài)使用時無航速限制。此外，在桅桿上部還涂有雷達(dá)吸波材料，以提高雷達(dá)隱身性[4]。

1.2 俄羅斯常規(guī)潛艇

俄羅斯“阿穆爾”潛艇也是目前世界上最先進(jìn)的常規(guī)潛艇之一，其通信天線采用多功能桅桿形式，且裝備有 2 根通信桅桿。其天線升降裝置采用非貫穿的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式不需要穿透耐壓艇體，節(jié)省了大量艙內(nèi)空間。升降裝置采用框架形式，采用了多級升降技術(shù)、流線型截面桅桿、可移動式導(dǎo)軌支撐、模塊化等新技術(shù)。

1.3 法國鲉魚級潛艇

法國“鲉魚”級潛艇同樣裝備有多功能通信桅桿天線，該桅桿天線采用流線型截面桅桿、模塊化設(shè)計技術(shù)等，由 2 個可獨立升降的天線組成，其中 1 個為可伸縮的 HF 天線，另 1 個為多功能組合天線。

1.4 英國常規(guī)潛艇

英國海軍常規(guī)潛艇裝備了馬可尼公司研制的 AJU通信桅桿天線。AJU 通信桅桿天線由 2 個可獨立升降天線組成，其中 1 個為可伸縮的 HF 天線，另 1 個為VHF/UHF/IFF/SATCOM/SATNAV/JTIDS 組合天線。AJU 型多功能通信桅桿能提供 HF（1.5 MHz～30 MHz），VHF/UHF（225 MHz～400 MHz）及 IFF，SATCOM，SATNAV，JTIDS 功能。短波天線伸出時，天線最大長度為 10 897 mm，短波天線縮回時，最大長度為 6 477 mm。AJU 型桅桿天線同時也裝備于澳大利亞及加拿大海軍。

表 1 外軍常規(guī)潛艇通信桅桿天線性能統(tǒng)計表Tab. 1 Statistic table on the mast communication antenna of foreign conventional submarines

2 外軍核潛艇桅桿通信天線

2.1 美國核潛艇

目前美軍所有核潛艇，包括新的“弗吉尼亞”級攻擊潛艇都采用多功能通信桅桿天線系統(tǒng)作為它們同飛機(jī)、水面艦、陸上設(shè)備的主要通信方式。美軍的“三叉戟”彈道導(dǎo)彈核潛艇（SSBN-726）裝備了 OE-207 型多功能通信桅桿天線。“洛杉磯”級攻擊型核潛艇（SSN-688）、“洛杉磯”級改進(jìn)型（改換裝后）攻擊型核潛艇、“海狼”級攻擊型核潛艇（SSN-21）均裝備 AN/BRA-34 型多功能通信桅桿天線作為主用天線。最新的“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇（SSBN-776）裝備了 2 副基于 AN/BRA-34 系列天線改進(jìn)的 OE-538 型多功能通信桅桿天線，如圖 1 所示。OE-538/BRC 多功能通信桅桿天線設(shè)計與 OE-207/BR 型、AN/BRA-34 系列仍類似，其組成為天線體、控制器、分線盒和電纜組件等，如圖 2 所示。

OE-538/BRC 多功能通信桅桿天線系統(tǒng)支持VLF/LF 接收（10～170 kHz）、MF/HF 收發(fā)（2～30 MHz）、VHF 視距收發(fā)（30～170 MHz）、UHF 視距收發(fā)（225～400 MHz）、VHF/UHF 衛(wèi)通收發(fā)（240～400 MHz）、敵我識別 IFF 應(yīng)答、GPS 接收以及 Link-16 數(shù)據(jù)鏈、銥星通信等多種功能。

圖 1 SSN-776“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇指揮室圍殼[5]Fig. 1 SSN-776 new attack submarine sail/antenna baseline configuration

圖 2 OE-538/BRC 多功能通信桅桿天線及組成圖[6]Fig. 2 OE-538 system units.

除裝備 2 副多功能通信桅桿天線系統(tǒng)外，還裝備有 2 副 EHF/SHF 高數(shù)據(jù)率寬帶天線用于實現(xiàn)衛(wèi)星高速率通信。潛艇高速數(shù)據(jù)天線終端采用 16 in 蝶形天線，用來接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其速率為 128 kbps～ 8 Mbps，可進(jìn)行極高頻低速和中速數(shù)據(jù)傳輸，具有超高頻通信和接收全球廣播服務(wù)的能力[7]。

美軍未來下一代潛艇通信桅桿將是多功能寬波段天線系統(tǒng)，整合電子支援系統(tǒng)，并能夠提供足夠的帶寬與衛(wèi)星連接，進(jìn)行圖像及其他高速數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

2.2 英國核潛艇

英國核潛艇也裝備了多功能通信桅桿。“機(jī)敏”級核潛艇裝備 3 根桅桿天線，分別為通信桅桿天線、EHF/SHF 衛(wèi)通桅桿天線及 UHF 衛(wèi)通桅桿天線，其通信桅桿天線主要用于短波與超短波通信，結(jié)構(gòu)形式與美軍 OE-538/BRC 型多功能通信桅桿類似。

2.3 俄羅斯核潛艇

俄羅斯“阿庫拉”級、“塞拉”級攻擊核潛艇、“奧斯卡”級彈道導(dǎo)彈核潛艇以及最新的 885 型攻擊型核潛艇和 955 型彈道導(dǎo)彈核潛艇均裝備有“閃電”-M 型自動通信系統(tǒng)和“海嘯”型衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其中“閃電”-M 型自動通信系統(tǒng)的短波通信天線為安裝在桅桿上的鞭天線，其“海嘯”型衛(wèi)星通信系統(tǒng)的衛(wèi)通天線類似于 Ku 頻段衛(wèi)星通信天線。

3 外軍桅桿類通信天線發(fā)展趨勢分析

綜上所述，為保證潛艇對外通信暢通，外軍非常重視桅桿類通信天線的配置和發(fā)展。在潛艇指揮室圍殼布局非常緊張的條件下，外軍典型潛艇均在指揮室圍殼仍然布置有 2 根通信桅桿天線，且其共同特點是均有 1 根多功能通信桅桿天線，實現(xiàn)短波天線、超短波、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航等多頻段、多功能天線的集成，足見其對桅桿通信天線的重視。

綜合分析，外軍桅桿類通信天線具有以下發(fā)展趨勢：

1）在功能集成方面，由單一頻段通信桅桿天線向多功能通信桅桿方向發(fā)展

20 世紀(jì) 80 年代以前，外軍潛艇基本配置為 1 套短波頻段主用天線，1 套超短波頻段綜合天線，均可在潛望狀態(tài)使用。隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，單套天線頻段越來越寬，越來越趨于功能復(fù)合。早期如 AT-118 型超短波綜合天線工作頻段為 100～164 MHz，220～400 MHz，980～1 150 MHz，該天線包含 VHF 天線、UHF天線、IFF 天線 3 個天線單元，3 個單元沿高度方向疊加在一起安裝天線罩內(nèi)，整個天線的尺寸為 φ 176 × 1 100 mm。該天線后來拓展出 AT-119（將 GPS 包含進(jìn)去）、AT-125、AT-225（將 GPS、IFF、HF 收信均包含進(jìn)去）等型號。再發(fā)展到目前 AN/BRA-34 型、OE-538 型等多功能通信桅桿天線，將短波、超短波、衛(wèi)通、GPS、IFF 應(yīng)答等各種功能天線集成一體，天線工作頻段為 5～150 kHz，2～30 MHz 收發(fā)、30～88 MHz，100～164 MHz，225～400 MHz，980～1 150 MHz，1 227/1 575 MHz，240～320 MHz 衛(wèi)通模式。外軍先進(jìn)潛艇均采用多功能通信桅桿天線取代早期的單一功能天線，其共同特點是短波天線和超短波、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航等多頻段、多功能天線的集成。

2）在通信功能方面，逐步由低速率、點對點通信向高速率、組網(wǎng)通信發(fā)展

國外海軍潛艇通信發(fā)展方向是適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的要求，實現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)化及無縫、安全可靠的連通性及互操作性，提高其外部通信能力，使之真正成為未來海上聯(lián)合作戰(zhàn)的骨干節(jié)點。美軍潛艇作戰(zhàn)正從傳統(tǒng)“寂靜”獨立工作方式向以網(wǎng)絡(luò)為中心的作戰(zhàn)方式轉(zhuǎn)移。美軍攻擊型核潛艇已進(jìn)行通信系統(tǒng)的升級，能夠?qū)崿F(xiàn)與戰(zhàn)場其他兵力的緊密結(jié)合。美軍潛艇裝備的 AN/USC-38 天線系統(tǒng)安裝在潛艇的潛望鏡上[8]，使用極高頻波段衛(wèi)星通信直接與航母進(jìn)行信息交換，可采用中、高速率進(jìn)行通信。由于極高頻波束比較集中，該天線系統(tǒng)工作時很難被敵方偵測。OE-538/BRC 多功能通信桅桿天線系統(tǒng)具有 Link-16 通信功能，可參與聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，與水面、空中等其他兵力進(jìn)行指揮協(xié)同。

3）在天線集成方面，采取高度方向疊加方式和橫向并排布置方式 2 種方式

在天線集成方式上，多功能通信桅桿天線實現(xiàn)方式有 2 種。德、法、俄等國潛艇多功能通信桅桿天線采用不同頻段天線在橫向并排布置方式，短波部分單獨為 1 根，為伸縮天線形式，除短波外其他多頻段天線仍為在高度方向疊加方式，單獨為 1 根。美國核潛艇多功能通信桅桿天線裝備同德、法、俄等國家相比較而言，技術(shù)路線有所不同。美國核潛艇多功能通信桅桿天線采用多頻段天線在高度方向疊加方式、短波部分為大約 4 m 固定長度天線形式。而英國不同艇型分別采用了 2 種集成方式。初步分析認(rèn)為：2 種不同實現(xiàn)方式主要取決于 2 方面的原因：一是通信功能實現(xiàn)程度，二是指揮室圍殼高度。在短波和衛(wèi)星通信兩者之間，美軍比較重視衛(wèi)星通信，且其指揮室圍殼高度較高，因此多采用高度方向疊加方式。

4）在天線配置方面，配置有 2 幅以上通信桅桿天線互備實現(xiàn)潛望通信功能

德國和俄羅斯的常規(guī)潛艇均采用 2 套通信桅桿，美軍核潛艇均采用 2 套通信桅桿和外置式升降裝置。經(jīng)分析認(rèn)為通信桅桿天線備份配置主要考慮滿足可靠性、可維修性要求高的使用需求。潛艇通信天線設(shè)備大部分安裝在舷外，運行監(jiān)控、維護(hù)保養(yǎng)相對困難、潛航時可維修性差，尤其是當(dāng)潛艇執(zhí)行任務(wù)時，既要求天線可靠、快速和安全地接收和發(fā)射信號，又要盡可能不暴露自己，而且還要盡量不影響潛艇的機(jī)動性，這就對天線的可靠性、可維性提出了更高的要求。多功能通信桅桿天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為保證潛艇執(zhí)行任務(wù)期間可靠使用的要求，多采用備份配置的方式來進(jìn)行實現(xiàn)。

5）在綜合隱身方面，采用導(dǎo)流型桅桿結(jié)構(gòu)并開展雷達(dá)波隱身設(shè)計縮減 RCS

潛艇指揮室圍殼桅桿通信天線的隱身設(shè)計是整個潛艇開展隱身設(shè)計的一個重要方面。其使用時的隱蔽性對潛艇避免暴露至關(guān)重要。改善潛艇通信天線的隱身性能是潛艇隱身設(shè)計的關(guān)鍵。桅桿類通信天線的隱身設(shè)計方面主要應(yīng)考慮尾跡尾流和雷達(dá)波等因素。外軍無論常規(guī)潛艇還是核潛艇，其多功能通信桅桿天線均采用導(dǎo)流型桅桿結(jié)構(gòu)，以減小使用時的尾跡尾流。同時還對天線進(jìn)行了合理的結(jié)構(gòu)線型優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)用合適的雷達(dá)吸波材料，有效降低天線的雷達(dá)反射截面積，以降低潛艇桅桿天線的 RCS 值，從而增加對方探測難度或減小對方的探測距離，以達(dá)到隱身的目的。

6）在未來發(fā)展方面，采用多功能模塊化載荷及一體化集成以簡化圍殼設(shè)計

為了減少潛艇艇體暴露的可能性，包括通信天線在內(nèi)的所有天線都需要安裝在指揮臺圍殼的頂部，造成指揮室圍殼內(nèi)密布多套升降裝置，圍殼上各種天線林立。因此在設(shè)計天線時同其他系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮，要進(jìn)行合理的布置，以避免相互影響并實現(xiàn)各自功能。隨著潛艇作戰(zhàn)對通信手段需求的增長，平臺上有限的安裝空間已經(jīng)難以加裝新的通信天線，因而出現(xiàn)了天線限制潛艇整體通信能力發(fā)展的情況。開展探測、偵察、對抗天線與通信天線的集成設(shè)計[4]，采用模塊化的設(shè)計思想對多種不同功能載荷進(jìn)行模塊化設(shè)計，并從全局高度統(tǒng)一設(shè)計圍殼內(nèi)各型傳感器與通信天線，優(yōu)化圍殼電磁兼容性，簡化圍殼設(shè)計。這也是未來桅桿類通信天線發(fā)展趨勢之一。

4 結(jié) 語

從外軍潛艇裝備發(fā)展以及兵力運用角度來看，隨著潛艇作戰(zhàn)使用需求以及作戰(zhàn)使命任務(wù)的拓展，潛艇與其他兵力實現(xiàn)完全鏈接，以增強其情報、監(jiān)視、偵察和對陸攻擊以及與水面艦艇、飛機(jī)和陸上部隊協(xié)同的能力，以及利用安裝在水下和空中無人運載器上的傳感器實現(xiàn)超視距情報、監(jiān)視和偵察[9]。這些均對桅桿類通信天線系統(tǒng)提出了新的更高的需求。通過對外軍常規(guī)潛艇以及核潛艇指揮室圍殼桅桿通信天線的研究，不難看出，隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展以及通信裝備的不斷進(jìn)步，開展通信天線與電子設(shè)備集成設(shè)計，桅桿類通信天線應(yīng)在改善天饋性能、提升輻射性能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)設(shè)備小型化與集成優(yōu)化，適應(yīng)未來通信設(shè)備射頻融合的發(fā)展需求；應(yīng)在保持天線使用效能的同時，不斷研究新材料、設(shè)計新結(jié)構(gòu)以縮減天線 RCS，提升潛艇雷達(dá)隱蔽性，滿足潛艇隱蔽作戰(zhàn)使用要求。

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Synthesis research on mast communication antenna of submarines

SONG Guang-ming, CHEN Da-yong
(Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

Mast communication antenna is an important form of communications antenna used for submarines, and as an important part of submarine communication system, plays an important role in exterior communications. This paper analyzes the configuration and the function of conventional submarine and nuclear submarines of foreign army, and proposes the developing trend of foreign submarine mast communication antennas especially multifunction communication mast antenna system.

submarine mast communication antenna；multifunction communication mast antenna system；evolution trend

TB567

A

1672–7619(2016)12–0151–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.031

2016–04–20；

2016–07–07

宋光明(1978–)，男，碩士，工程師，從事艦艇通信系統(tǒng)研究工作。