艦船小桅對雷達(dá)探測性能影響研究

石 磊，吳蘇興，常德杰，卞美琴

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

艦載雷達(dá)多位于艦船上層建筑的頂部，此處一般集成安裝有多種天線，并有桅桿和橫桁遮擋，電磁環(huán)境復(fù)雜，對雷達(dá)探測性能的影響較大。本文通過仿真計(jì)算和模擬測試，分析了小桅對雷達(dá)探測性能的具體影響，提出了應(yīng)對策略和改善方法，可減小雷達(dá)弱視區(qū)對探測性能的影響，對雷達(dá)的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用有指導(dǎo)意義。

1 小桅對天線輻射性能的影響

1.1 模型的建立

雷達(dá)采用平面陣列天線，小桅距離天線口面約2 m，小桅高度約5 m，若采用時(shí)域(FDTD)或頻域(FEM)方法進(jìn)行全實(shí)物全波仿真分析，由于計(jì)算空域電尺度大，導(dǎo)致計(jì)算量大，仿真計(jì)算效率低。將天線等效簡化為同口徑的反射面天線，其波寬、副瓣、增益等性能與平面陣列相近，可采用光學(xué)法(PO/GO)或快速多極子方法進(jìn)行計(jì)算，提高計(jì)算效率，仿真模型如圖1所示。其中具體尺寸如下：桅桿高度5 000 mm，底部截面尺寸350 mm×350 mm，線性過度至頂部截面尺寸250 mm×250 mm，天線中心距離桅桿2 000 mm。

圖1 仿真模型

1.2 仿真結(jié)果

1.2.1 金屬桅桿

對金屬桅桿位于天線不同位置和無金屬桅桿遮擋的方向圖進(jìn)行仿真計(jì)算和對比，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，當(dāng)金屬桅桿在天線±5°范圍內(nèi)時(shí)，方位面和俯仰面副瓣急劇抬高20 dB以上，天線增益下降2 dB以上；在±10°～±20°范圍內(nèi)，方位面副瓣惡化依舊嚴(yán)重，抬高15 dB以上，俯仰面副瓣恢復(fù)正常，天線增益下降幅度減少至1 dB左右；在±25°～±40°范圍內(nèi)，方位面副瓣抬高10 dB左右，天線增益下降在1 dB以內(nèi)；在±50°～±70°范圍內(nèi)，副瓣抬高小于7 dB，并在70°時(shí)恢復(fù)正常，增益恢復(fù)正常。在整個(gè)角度范圍內(nèi)，金屬桅桿對方位面和俯仰面的波束寬度和波束指向幾乎無影響。相比于方位面，俯仰面方向圖惡化較小，因此只給出方位面方向圖比較，如圖2所示。

表1 有無金屬桅桿及金屬桅桿不同位置仿真結(jié)果對比

圖2 有無金屬桅桿方向圖對比(方位面)

1.2.2 玻璃鋼桅桿

天線模型完全一致，桅桿材料由金屬變?yōu)椴Ａт?，介電常?shù)4.2，損耗正切0.02，桅桿外形尺寸不變，玻璃鋼厚度10 cm，桅桿中空。

對玻璃鋼桅桿位于天線不同位置和無玻璃鋼桅桿遮擋的方向圖進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 有無玻璃鋼桅桿和玻璃鋼桅桿不同位置仿真結(jié)果對比

可以看出，玻璃鋼桅桿對天線方向圖的影響與金屬桅桿類似，玻璃鋼桅桿雖然具有透波性能，但在天線輻射近場區(qū)內(nèi)會對電磁波產(chǎn)生折射，影響其遠(yuǎn)場方向圖的合成，使得方向圖惡化，增益下降。當(dāng)桅桿遠(yuǎn)離主輻射方向時(shí)，影響逐漸變小，其方位面方向圖比較如圖3所示。

圖3 有無介質(zhì)桅桿方向圖對比(方位面)

1.2.3 不同介電常數(shù)介質(zhì)桅桿

仿真模型尺寸完全一致，將玻璃鋼桅桿介電常數(shù)改為3.3、2.2、1.1，分別仿真桅桿0°時(shí)的方向圖，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，介質(zhì)桅桿的介電常數(shù)對天線方向圖的影響起決定性作用，介電常數(shù)越低，電磁波通過時(shí)的折射角度越小，其對輻射場的擾動越小，因此對天線方向圖的影響也越小。其方位面方向圖比較如圖4所示。

表3 有無介質(zhì)桅桿和不同介電常數(shù)介質(zhì)桅桿仿真結(jié)果對比

圖4 不同介電常數(shù)方位面方向圖比較

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)

由于大尺度電磁仿真建模是理想模型，與實(shí)際情況不可避免地存在一定差異，導(dǎo)致仿真結(jié)果可能不太準(zhǔn)確。為了提高評估分析的準(zhǔn)確性，采用木框架表面蒙金屬蒙皮的方法制作1根與實(shí)際尺寸相同的模擬小桅，并架設(shè)在雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺中心2 m處，用于實(shí)測金屬小桅對雷達(dá)探測性能的影響。實(shí)驗(yàn)平臺如圖5所示。

圖5 模擬小桅實(shí)測試驗(yàn)(空白處為雷達(dá)位置)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)分有無模擬小桅兩種情況，分別錄取數(shù)十批同樣航路民航機(jī)的數(shù)據(jù)做對比分析。結(jié)果表明：

(1) 即使有模擬小桅存在，雷達(dá)也并未出現(xiàn)完全無回波的遮蔽角；

(2) 與沒有模擬小桅時(shí)相比，有模擬小桅會導(dǎo)致小桅方位左右約15°的扇區(qū)內(nèi)目標(biāo)回波幅度明顯降低，威力下降約8%～20%，程度隨方位變化而不同；

(3) 與沒有模擬小桅時(shí)相比，有模擬小桅會導(dǎo)致小桅方位左右約15°的扇區(qū)內(nèi)的目標(biāo)出現(xiàn)方位展寬約1～3倍的現(xiàn)象，嚴(yán)重程度隨方位變化而有所不同；

(4) 有模擬小桅存在時(shí)，上述第2、第3條的綜合影響會導(dǎo)致小桅方位左右約15°的扇區(qū)內(nèi)的目標(biāo)頻繁出現(xiàn)航跡質(zhì)量下降，甚至跟丟撤批、跟偏等嚴(yán)重的跟蹤不穩(wěn)定問題。

3 結(jié)束語

將平面陣列天線等效為反射面天線，用光學(xué)法或快速多極子法可快速準(zhǔn)確評估桅桿對天線輻射的影響，在艦船雷達(dá)設(shè)備布局設(shè)計(jì)時(shí)可用此方法進(jìn)行仿真計(jì)算。艦船桅頂區(qū)域后部小桅雖不會導(dǎo)致出現(xiàn)艦載雷達(dá)后向探測遮蔽角，但依然會使雷達(dá)在艦船后向約±15°探測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)威力下降、方位展寬及嚴(yán)重的跟蹤不穩(wěn)定問題。因此，在艦船設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用透波性好、介電常數(shù)低(小于3)的非金屬材料(如玻璃鋼等)制作桅頂區(qū)域后部小桅，在條件允許的范圍內(nèi)盡量加大后部小桅與雷達(dá)天線之間的距離，以盡可能降低桅頂區(qū)域后部小桅對雷達(dá)后向探測性能的不利影響。