面陣天線與船體共形RCS減縮分析?

姜朝宇 胡 磊 丁 凡

（1.海軍駐葫蘆島地區(qū)代表室 葫蘆島 125004）（2.昆明精密機械研究所 昆明 650118）

（3.中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064）

1 引言

美國DDG100通過將多功能集成桅桿和低輻射特征信號相控陣天線結(jié)合成一個具有低雷達波散射的集成上層建筑，在改善電磁兼容性的同時，實現(xiàn)改善雷達反射面積的目的，提高了艦船隱身性。雷達天線的陣面化、高集成度及與上層建筑共形，對雷達波隱身設(shè)計提出了更高的要求?？刂泼骊囂炀€與船體共形設(shè)計后的雷達波隱身性，對于實現(xiàn)艦船的雷達波隱身設(shè)計具有及其重要的意義［1～6］。

陣面天線與船體共形必然涉及到對船體開口，天線反射板需要與船體開口連接，連接板與連接板之間的結(jié)構(gòu)、連接板傾斜角度等均會對RCS散射特性造成影響，本文為凸顯不同連接形式RCS變化趨勢，僅針對陣面開口與船體連接形式進行分析。

利用Rhinoceros構(gòu)建典型安裝方案的三維模型，應(yīng)用通用有限元網(wǎng)格處理軟件Hypermesh生成網(wǎng)格模型，采用高頻散射機理和高頻電磁散射漸近計算方法進行仿真計算［7～10］。該方法主要通過物理光學法對表面感應(yīng)場的近似和積分而得到散射場，應(yīng)用射線追蹤法處理模型中腔體區(qū)域的電磁反射，考慮多次反射，采用等效邊緣流方法（EEC）算法計算目標邊緣繞射貢獻。開展典型安裝方案的散射特性仿真分析，采用散射亮點定位，明確影響因素，并提出初步控制建議［11～12］。

2 反射板與船體開口連接板傾斜角分析

選取口徑為2000mm×2000mm的反射板，天線整體安裝深度為300mm，分析天線陣面與船體開口的連接板不同傾斜角度的散射特性。

圖1 天線與船體共形三維及剖視圖示意

2.1 天線陣面上下連接板的傾斜角度影響分析

分析天線上下連接板傾斜0°、30°、45°三種傾斜角時散射特性變化趨勢。由于艦船主要面臨的威脅波段集中在X、Ku波段，水平入射角。本文中主要針對典型頻點10GHz、15GHz，0°入射角，兩種極化方式進行計算。

表1 天線陣面上下面連接板不同傾斜角對比

天線陣面上下連接板不同傾斜角度對天線與船體共形的RCS會造成影響，其中天線上下連接板傾斜45°時RCS散射量值最大，其次為天線連接板與船體結(jié)構(gòu)直角連接，傾斜30°時RCS散射量值最小。

由圖2可以看出傾斜0°散射峰值分布在20°～160°整個區(qū)間。主要是由天線反射板與連接板構(gòu)成的直二面角結(jié)構(gòu)造成的。傾斜45°的散射量值集中在40°～140°整個區(qū)間，除天線反射板與連接板構(gòu)成的直二面角結(jié)構(gòu)外，還由天線上下連接板形成間接的直二面角結(jié)構(gòu)，從而造成散射峰值較大（見圖3散射亮點圖）。

圖2 10GHz、VV極化、0°入射角RCS曲線圖

由上述分析可以看出對于面陣天線與船體共形連接時，應(yīng)避免連接板與反射板構(gòu)成直二面角結(jié)構(gòu)。天線陣面與船體連接時，其連接板應(yīng)傾角設(shè)計，但應(yīng)避免相互之間形成新的直二面角結(jié)構(gòu)。

圖3 10GHz、VV極化、0°入射角、45°方位角散射亮點圖

2.2 天線陣面兩側(cè)連接板的傾斜角度影響分析

上下連接板采用直角連接，變換兩側(cè)連接板傾斜角，研究兩側(cè)連接板傾斜角對RCS的影響。

天線兩側(cè)連接板不同傾斜角度對天線與船體共形RCS會造成影響，其中傾斜角在45°時RCS散射量值最大。傾斜角60°的散射量值約大于傾斜角30°，但均遠小于傾斜角0°。

圖4 10GHz、VV極化、0°入射角RCS曲線圖

表2 天線陣面兩側(cè)不同傾斜角對比值

其不同傾斜角的散射量值分布與上下連接板傾斜角變化基本一致，但傾斜45°時散射量值主要集中在80°～100°，同樣是由于兩側(cè)連接板之間形成的間接直二面角結(jié)構(gòu)造成的。

同樣由上述分析可以看出，天線連接板應(yīng)傾斜設(shè)計，且應(yīng)避免形成間接或者直接二面角。

3 反射板的深度影響分析

分析天線反射板距離船體結(jié)構(gòu)深度分別為200mm、400mm時散射特性變化趨勢。對天線陣面反射板距離船體結(jié)構(gòu)深度變化RCS數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

圖5 10GHz、VV極化、0°入射角RCS曲線圖

表3 天線陣面反射板距離船體結(jié)構(gòu)深度變化RCS計算值

明顯可以看出天線陣面反射板距離船體結(jié)構(gòu)深度對天線與船體共形的RCS會造成影響，隨著深度的增加RCS呈增大。在不影響天線輻射性能的前提下，應(yīng)盡量避免天線嵌入深度過大。

4 連接板之間連接形式

連接板與連接板之間連接時，可直接焊接，也可倒圓角焊接，針對該形式，分析不同連接形式對RCS的影響。為凸顯連接板連接形式的影響，連接板均與反射板成傾斜角布置，傾斜角為30°。

圖6 10GHz、VV極化、0°入射角RCS曲線圖

表4 天線陣面連接板之間連接形式對RCS影響對比

由此可以看出，天線陣面與船體連接板之間不同的連接形式對散射特性均會造成影響，其中相鄰的連接板直接棱邊焊接的散射量值最小，倒圓角焊接的散射量值角度，隨著倒圓角的半徑發(fā)生變化。天線連接板應(yīng)直接棱邊焊接。

5 結(jié)語

本文梳理出面陣天線與上層建筑共形RCS影響因素：天線分區(qū)形式、天線嵌入形式、天線與船體結(jié)構(gòu)連接形式（連接板傾斜角度、反射板深度、連接板之間連接形式）等。結(jié)合典型形式進行仿真，得出以下結(jié)論：天線反射板應(yīng)設(shè)置一定傾斜角與船體連接應(yīng)，且反射板之間應(yīng)避免構(gòu)成直二面角；天線在滿足自身輻射性能的前提下，應(yīng)避免嵌入深度過大。連接板與連接板之間應(yīng)棱邊連接，或選擇半徑較小的圓弧過渡半徑。