一種電磁引信收發天線組合配置方式

王 瑋, 朱 健

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一種電磁引信收發天線組合配置方式

王 瑋, 朱 健

(中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710075)

為尋找一種沿著魚雷縱軸具有軸向指向性的魚雷電磁引信, 分析了采用垂直發射的收發天線配置方式,通過簡化模型計算反射場, 給出了接收指向性圖, 結合不同配置方式的特點, 提出了一種垂直/平行組合配置方式, 從而改善了接收指向性。該方式可滿足反潛/反艦所需動作區域的要求, 為進一步的目標信號分析提供參考。

電磁引信; 收發天線

0 引言

對于魚雷主動電磁引信而言, 魚雷與目標信道之間的傳遞是借助于電磁物理場來實現的。收發天線是其中電磁場轉換的敏感元件, 因此, 采用不同的收發天線及配置方式將影響到引信系統的性能及可靠性。

在電磁引信設計中, 收發天線的配置方式有平行、垂直及十字形等多種, 輻射天線采取垂直發射或水平發射。通常根據總體戰技要求, 采用單一或組合配置方式滿足所需工況下的動作區域。在文獻[1]中對收發天線的一些典型配置方式進行了分析, 本文結合魚雷的結構形式及工程應用, 詳細分析了采用垂直發射下的配置方式, 通過簡化模型計算反射場, 給出指向性圖, 并分析該配置方式的特點。通過2種不同的配置方式形成一種全向魚雷電磁引信收發天線組合配置, 改善了接收指向性, 可滿足反潛/反艦所需動作區域要求。

1 收發天線設計基本要求

主動電磁引信的收發天線設計通常需結合配用魚雷的作戰使命、結構特性、引信作用距離的要求及信號處理技術的水平綜合進行。

收發天線的主要技術特征有接收靈敏度、輻射磁矩、指向性等。通常在收發天線的設計上需考慮以下問題: 1) 為降低接收目標信號的背景噪聲, 接收天線與發射天線間的直接耦合應最小; 2) 對目標反射信號具有最大的接收能力; 3) 接收發射天線在反射場內應具有配用魚雷的作戰使命所要求的指向性, 在探測目標的全部距離范圍內應沒有盲區; 4) 具有合適的外形尺寸。

在設計中, 除了以上基本指標外, 為了取得更高的信噪比、降低由于收發天線引起的誤動概率, 還需兼顧考慮發射天線和接收天線的匹配、魚雷自身的振動、直達場干擾的對消處理、對抗外部的電磁干擾和主動無線電電磁場輻射及傳導抗干擾等問題。主動電磁引信的動作區域性取決于收發天線的配置方式。

2 垂直輻射下配置方式

由于海水中電磁場的衰減很大, 目前在水中兵器的應用方面, 僅用來作近炸引信的控制場。當磁偶極子輻射低頻電磁場的波長, 比偶極子與反射面之間的距離大得多時, 磁偶極子輻射電磁波為球面電磁波。為使問題簡化, 將目標對電磁波的反射視為無限大理想導體界面反射, 通過鏡像法計算反射場, 特作如下假設: 1) 略去電磁波在海水中的傳播衰減和相移; 2) 理想鏡面反射, 略去電磁波由海水-鋼制界面的反射系數和相移; 3) 略去魚雷殼體對接收、發射的屏蔽影響。對于以上假設, 在收發天線具體的工程計算中加入相應的衰減系數、反射系數、屏蔽系數等修正即可。

在魚雷電磁引信中, 與目標艦船的體積及雷目距離相比, 收發天線的尺寸可忽略不計, 因此輻射天線輻射場可等效為磁偶極子輻射場。

以下著重分析一種垂直輻射下的電磁引信收發天線組合配置方式。

2.1 垂直輻射下平行配置方式

由于接收天線()、與輻射天線()軸線相互平行, 屬于平行配置, 如圖1所示。在此平行配置中, 輻射場徑向分量與正交, 不必考慮徑向分量的影響。當魚雷有橫傾角時, 將鏡像場源分解為cos,sin, 無論cos或sin, 只有它們輻射磁場的軸向分量才能被接收。

1)cos分量在軸線方向上接收處場強

2)sin分量在軸線方向上接收處場強

(2)

3) 接收總磁場

式中:為引信作用距離;為波源置觀測點的距離;為空氣或海水導磁率;為輻射磁矩;為收發天線間距;為魚雷橫傾角。

由上式看出, 當8=時, 在0°, 180°出現盲區。與的關系, 即在不同作用距離上垂直魚雷縱軸面上接收指向性圖見圖2所示。

接收線圈與輻射線圈平行, 理論上直達場為

從以上分析可以看出, 該結構形式形成的配置方式有如下特點:1) 收發天線初始值不為0, 采取長間距, 可降低直達場的干擾, 或采用對消技術; 2) 接收輻射磁偶極子場的軸向分量, 大于徑向分量; 3) 在收發天線間距一定時, 接收指向性與雷目交會距離有關,在某些位置上存在死區, 并且指向性是不均勻的, 將造成不同方位作用距離略有差異, 理論上在反潛、反艦工況下均不可以單獨應用。因此在工程設計中, 需要根據戰技指標, 做為其他配置方式下的補充配置。通過參數設計以達到需要的動作區域。

圖2 不同作用距離上垂直魚雷縱軸平面接收指向性圖

Fig. 2 Receiving directivity chart of plane at vertical torpedo′s longitudinal axes in different distance

2.2 垂直輻射下垂直配置方式

接收天線()與輻射天線)軸線相互垂直, 屬于垂直配置。當魚雷有橫傾角時, 鏡像場源發生變化, 接收場源不發生變化。將鏡像場源在平面上分解為cos和sin(見圖3)。由于sin垂直于接收線圈軸線, 無論其徑向分量還是軸向分量都不能被接收。對于cos分量也只有其徑向分量才能被接收。

因此在接收處場強為

垂直魚雷縱軸平面上接收指向性圖如圖4所示。水平接收線圈與輻射線圈由于軸線相互垂直, 理論上接收到的直達場為零。

圖4 垂直魚雷縱軸平面接收指向性圖

Fig. 4 Receiving directivity chart of plane at vertical torpedo′s longitudinal axes

從以上分析可看出, 該結構形式形成的配置方式有如下特點: 1)直達場理論上為零。因為收發天線由于加工公差的累積, 沒有形成完全的垂直, 因此起始值有時為負有時為正; 2)接收輻射磁偶極子場的徑向分量, 小于軸向分量; 3)該結構形式形成的配置方式接收指向性只與有關, 在=90,=270時存在盲區, 因此在工程設計中, 只能用于反艦工況。

綜上可知, 在電磁引信中收發天線采用垂直輻射, 水平、垂直接收組合配置方式, 可滿足反艦/反潛2種工況。反艦時, 水平線圈作用, 即可滿足其動作區域性; 反潛時, 由于單一平行配置下的垂直線圈, 其接收指向性在上下扇面的信號隨著雷目距離的減小而收縮, 為保證周向探測, 需要通過水平線圈進行補充。

3 結束語

電磁引信收發天線采用不同的配置方式, 可獲取一定的發射指向性和接收指向性。采用垂直輻射, 水平接收的垂直配置方式, 可獲得反艦工況所要求的指向性。在此基礎上增加垂直接收線圈, 即補充平行配置, 形成組合配置方式, 改善接收指向性, 可獲得沿魚雷縱軸360°指向性, 可滿足反潛工況的探測要求。

[1] 王紹卿. 魚雷近炸引信原理與設計[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 1992.

[2] 沈哲. 魚雷戰斗部與引信技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2009.

[3] 陳春玉, 肖素娟. 魚雷主動電磁引信防誤動技術[J]. 魚雷技術, 2008, 16(1): 29-32.

Chen Chun-yu, Xiao Su-juan. Anti-false Action Technology for Active Electromagnetic Fuze in Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2008, 16(1): 29-32.

[4] Fawwaz T U. 應用電磁學基礎[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2007.

[5] 王瑋. 電磁引信全向探測天線技術研究[R]. 中船重工集團公司第705研究所, 2011.

(責任編輯: 楊力軍)

Combined Disposition Mode of Receiver-Transceiver Antenna for Electromagnetic Fuse

WANG Wei, ZHU Jian

(The 705 Research Insitute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To obtain a torpedo electromagnetic fuse with axial directivity along torpedo′s longitudinal axes, we analyze the combined disposition mode of receiver-transceiver antenna with vertical transmission, calculate the radiant electromagnetic field and the reflect electromagnetic field by a simplified model, and give a receiving directivity diagram. Furthermore, we propose a combined vertical/parallel disposition mode with the characteristics of both disposition modes to improve the receiving directivity. The proposed disposition mode can meet the requirement for anti-ship/anti- submarine action area.

electromagnetic fuse; receiver-transceiver antenna

TJ431.7

A

1673-1948(2013)06-0422-03

2013-05-13;

2013-07-12.

國防科技預先研究課題資助(1011001020201).

王 瑋(1971-), 女, 高級工程師, 主要研究方向為魚雷引信技術.