艦載通信天線集成發展分析*

欒厚斌 陳 曦

(1.大連造船廠軍代室 大連 123456)(2.中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

艦載通信天線集成發展分析*

欒厚斌1陳 曦2

(1.大連造船廠軍代室 大連 123456)(2.中國艦船研究設計中心 武漢 430064)

通過介紹國外先進艦載射頻集成的特點,研究分析艦載通信天線集成的發展趨勢與特點;從艦船總體時域、空域、頻域、功率等資源匹配的角度出發,優化天線口徑,選擇合適的集成方式,解決水面艦船天線擁擠、電磁兼容性和隱身性差的問題,從而有效提升水面艦船的作戰能力。

通信天線; 射頻集成; 電磁兼容

Class Number TN821

1 引言

現代戰爭中,海軍艦船已經由傳統的海上火力支撐發展為集海空陸天四位一體的探測和攻擊平臺。而目前我海軍水面艦船上的通信系統天線林立,嚴重影響艦船的隱身性和電磁兼容性。為了適應現代戰爭的需求,需要把眾多單一獨立的通信天線系統進行射頻集成總體設計,實現資源共享、統一調度;解決水面艦船天線擁擠、電磁兼容性和隱身性差的問題,從而有效提升水面艦船的作戰能力。

2 國外艦載射頻集成發展現狀

2.1 艦載射頻集成的方式類別

進行射頻集成設計,必須要求相關電子設備的工作頻率相同或相近,使天線孔徑能夠共用。其核心是集成天線技術,即由獨立單一的天線向多功能孔徑天線、聯合天線方向發展。國外許多國家都在此方面加強研究,并在很多領域都進入了應用階段。國外水面艦船的通信射頻集成發展主要分為集成桅桿和集成上層建筑兩個方向[1]。

集成桅桿是將相關電子設備的通信天線集成或獨立封裝在特制的桅桿內,并覆蓋有頻率選擇復合材料。如美國AEM/S先進封閉式桅桿傳感器系統,將V/UHF超短波通信、敵我識別、聯合戰術信息系統等天線封裝在桅桿內。

集成上層建筑是將射頻集成為平面相控陣天線,并鑲嵌在上層建筑壁上,與上層建筑結構共形于一體。如美國DDG1000新型驅逐艦裝備固定四面陣天線的多功能相控陣雷達,采用先進多功能射頻系統(AMRFS),將雷達、電子戰、通信等設備按照頻率相同或相近進行射頻集成[2]。采用上層建筑射頻綜合集成不僅改善艦的隱身性和電磁兼容性,還便于對各種資源統一管理,有利于多設備功能的聯合使用。

2.2 美國海軍研究現狀

20世紀90年代,美國海軍便開展了一系列射頻集成的研究計劃,包括全封閉桅桿/探測器系統(AEM/S)、電磁輻射系統(MERS)、隱形桅桿(LMS)和多功能射頻系統(AMRFS)等。

全封閉桅桿/探測器系統(AEM/S)采用了多種復合材料研制而成[3]。天線裝置安裝在內部,上半部覆蓋頻率選擇材料,可以讓特定的周波數穿過,使RCS減小。與傳統桅桿相比,AEM/S不僅重量輕,而且安裝在其內部的天線裝置保養工作量也少了很多。桅桿上半部的六角形錐體內安裝了MK25型和SPS-40型雷達天線,下半部安裝了波導管。V/UHF綜合通信天線,敵我識別器天線、戰術導航雷達天線安裝在桅桿頂端。2001年底,美海軍對AEM/S進行了改進。在其內部加裝了IN-MARSAT衛星通信天線和ROS火控電視跟蹤攝像頭。

多功能電磁輻射系統(MERS)主要為整合了四種探測和通信系統的天線,包括作戰知識系統、V/UHF接收器、敵我識別器、聯合戰術信息分發系統(JTIDS)和UHF通信系統。

多功能隱形桅桿(LMS)主要用于研究水面艦船加裝多功能衛星通信陣列天線。LMS采用了UHF/L波段的相控陣天線系統,并以此為基礎研制了綜合上層建筑驗證系統,用于參與美海軍新型DDG21驅逐艦上層建筑的設計研發。

多功能射頻系統(AMRFS)主要研究實現雷達、通信和電子戰天線裝置的一體化,其核心是通過計算機軟件的控制射頻設備根據實際需求,只適應選擇相對應的陣列天線,從而實現多種電子設備天線裝置的一體化。美國DDG1000新型驅逐艦采用了該系統,按照頻率高低自上而下布置在上層建筑側壁上。最上面一層是毫米波波段衛星通信/電子戰/定位報告系統。下一層是多功能X波段有源相控陣雷達(MFR)/電子戰(2GHz～18GHz)/協同作戰(CEC)/衛星通信。再下一層是L波段雷達/電子戰/海事衛星。底層是UHF衛星通信/電子戰[4]。如圖1所示。

圖1 美海軍DDG1000效果示意圖

2.3 英國海軍先進技術桅桿(ATM)

90年代初期,英國海軍開始實施先進技術桅桿(ATM)研究計劃[5],并在2005年成功地將其應用與“皇家方舟”號航空母艦。

英國海軍最早把這種桅桿命名為一體化技術桅桿(ITM)。它是一個八角形錐體,表明覆蓋了雷達吸波材料,內部安裝各種探測器和通信天線。在天線裝置所對應的桅桿表面同樣采用了頻率選擇材料(FFS),只允許特定頻率范圍的電磁波通過,防止它們之間與外部的電磁干擾。

在此之后,英國海軍進行了一系列的改進,并命名為先進技術桅桿(ATM)。ATM采用了鋼材作為內部支架,以增加桅桿的負載力。其內部采用了多層結構,以滿足可安裝多種天線裝置的要求。每層采用了復合材料作隔板。這種隔板可以靈活拆卸,強度高,也可以防止天線裝置間的干擾。整個桅桿采用了水循環冷卻系統,以降低紅外輻射[6]。

2.4 德國集成多探測器桅桿(IMSEM)

作為德國海軍未來F125級護衛艦的概念設計艦,FDZ-2020計劃是德國面向21世紀海上作戰需求而做的項目計劃。FDZ-2020采用了集成式全封閉式桅桿或稱為“集成多探測器桅桿”(IMSEM)。該型桅桿為一金字塔形封閉式桅,塔頂為一個較小的圓球,即紅外、激光、雷達告警接受器,接收器下方為通信天線系統陣,下層依次布置六邊棱形綜合天線,X波段“阿伯”相控陣雷達及數據鏈,桅桿的頸線位布置C波段平面列陣雷達天線,主桅桿下段布置S或L波段的平面陣列雷達天線,使整個桅桿容納各種對空、對海搜索雷達、導航雷達、火控雷達、空中管制雷達天線以及各式通信、數據傳輸、電子對抗天線和紅外、激光、雷達告警接收天線。進一步實現了將全艦探測、通信系統有機整合的“孔徑集成”[7]。將傳統布局散落于艦體各處的探測器、天線集中起來,即降低了雷達反射截面積,又比較好地解決了電磁兼容問題。如圖2所示。

圖2 德海軍F125級護衛艦效果示意圖

3 艦載通信天線集成分析

3.1 射頻功能資源分析

從上述國外艦船射頻集成的研究發展現狀可以看出,現代艦船射頻功能需求與雷達隱身性要求比較高,需總體從時域、空域、頻域、功率等資源優化的角度出發,優化陣面口徑,提高電磁兼容性和雷達波隱身性,從而促進提高整體的戰斗性能。

進行通信總體射頻集成設計時,需研究全艦時域、空域、頻域、功率、陣面資源的匹配性,形成綜合射頻集成方案。其研究思路是首先給出射頻功能實現所需總體資源的計算分析方法。然后,分析當前艦載射頻集成設備對總體資源的占用情況,以及通過采用新技術降低資源消耗的可能性。最后,依此基于射頻功能實現、電磁兼容性以及總體資源優化的需求,優化射頻口徑,提高射頻集成程度。其中,射頻功能資源主要包含以下幾個方面:

1) 頻域資源:主要包含工作頻段和信號帶寬兩方面。工作頻段范圍越大,工作頻點選擇余地越大,利于抵抗外來干擾并提高性能。艦上通信設備通常采用頻率捷變的方式,在工作頻段范圍內的多個頻點工作,以提高探測概率,并抵抗來自敵方的電子干擾。信號帶寬越大,攜帶的信息量越多,設備可實現的能力越強。通信設備可通過增大信號帶寬提高通信信道的物理帶寬。

2) 時域資源:主要包含工作時機和信號使用時間兩方面。射頻設備工作的時機根據作戰使用的需求各不相同。通信設備需根據實時需求進行工作。信號使用時間具體為信號的形式和數據率需求。雷達信號一般為脈沖信號,在時域上是離散;通信信號則通常為連續信號,在一個信號發射周期內是連續的[8]。數據率為單位時間內信號發射的次數,是數據更新的快慢表征,具體為雷達航跡的更新率、通信時延等。

3) 空域資源:主要包含天線布置和波束覆蓋兩方面。天線布置體現在天線的口徑和布置的位置。天線的口徑決定了天線波束寬度,天線口徑越大,波束寬度越窄,增益越高。通信天線一般要求波束寬度較大,以滿足大空域的通信覆蓋需求。天線的布置需考慮架高和被遮擋情況。天線的架高決定了其工作的視界,架設越高視距越大,直接影響艦船間的通信距離[9]。天線的被遮擋情況則決定了天線有效工作的空間范圍,一般需結合天線的工作需求和艦面設備布置條件,通過布置多部天線進行補盲。天線的波束覆蓋范圍直接決定了射頻設備的能力,一般多要求全方位覆蓋。

4) 功率資源:射頻對總體的功率需求主要包含供電和冷卻兩個方面。為了滿足輻射信號的強度要求,射頻天線需具備足夠的發射功率,對總體供電功率有一定的要求。大型天線熱損耗較大,一般需要總體提供足夠的冷卻資源。

3.2 通信天線集成特性

通信本質上是一個傳輸過程。艦載通信從功能上可分為戰術通信、數據鏈通信以及衛星通信。通信的主要技術指標包括通信距離和范圍、傳輸數率及誤碼率。通信距離的能力取決于發射功率和通信對方的接收靈敏度,并受限于視距要求。同時,對于利用電離層反射進行超視距傳播的通信信號,還需考慮發射損耗和傳輸路程增大造成的損耗。

通信功能的頻域資源需求與其功能使用有關。戰術通信由于傳輸距離需求,一般選取短波或超短波段。數據鏈通信由于數據傳輸對帶寬的需求,一般選取頻段較高的微波頻段。而衛星通信的頻段則需與衛星系統相一致。通信功能的時域資源需求在宏觀上取決與使用需求具有隨機性,微觀上取決于數據傳輸率和需傳輸的數據量[10]。通信功能的空域和功率資源需求則主要取決與通信需覆蓋的范圍,以及遠距離傳輸通信信號強度需求。

進行天線集成的相關艦載通信系統,其射頻上均具備若干相同或相近的特性,主要包括以下幾個方面:

1) 工作頻段較寬,系統間工作頻率相同或接近。較寬的工作頻段滿足了目前海軍艦船上許多不同的射頻功能要求,從而提高了射頻集成系統的整體效益,較為接近的系統工作頻率易于實現天線單元的排列布陣,降低單元互耦對天線方向圖的影響。

2) 采用多功能相控陣天線,適用各種需求。相控陣天線尤其是平面相控陣天線通過靈活的波束控制能夠實現大多數系統的方向圖,是所有射頻一體化系統的優先選擇。波束控制靈活最根本的好處在于系統能根據艦載設備的戰術操作需求,調整設備的功能。不僅可在指定的時間將工作中的射頻功能進行特定的組合,而且能根據需要對這些射頻功能的參數進行配置(如所需的發射孔徑尺寸、輻射功率電平、接收孔徑尺寸、瞬間帶寬、波形類型等)。這樣,多功能射頻系統可通過正確地分配其資源,快速滿足一組功能。

3) 系統具有良好的電磁兼容性。為了滿足戰術需求,有時需要多個系統同時工作,同一時間將產生多個發射波束和多個接收波束。而射頻集成在一起的系統,可以采取多種技術手段,如收發陣面分離、頻分或時分復用技術等,形成多個波束,保證系統間不會因相互干擾造成性能下降[11]。

3.3 通信天線集成方式

應根據通信設備天線的情況確定采用合適的方式進行射頻綜合集成[1]。其中應該主要考慮以下幾個方面的內容:

1) 平面相控陣天線可通過靈活的波束控制實現設備需要的方向圖,是射頻集成的最佳選擇。可采取集成上層建筑方式以四面陣等形式布置在上層建筑壁上,滿足360°全方向掃描。

2) 機械掃描雷達天線(含單面雙面相控陣旋轉天線)、獨立和集成的線狀天線可采取集成桅桿方式封裝在集成桅桿內。

3) 同一艘艦船上可同時采用集成上層建筑和集成桅桿布置相應的天線。

4) 個別天線方向圖要求特殊的設備較難進行射頻集成,如“塔康”天線等可單獨安裝。

5) 天線簡單、尺寸小而不需要集成,以免增加集成的復雜度。

6) 由于系統體制原因需要單獨工作,以免占據時間較長影響本系統或其它系統正常工作。

為了減小電磁危害、實現電磁兼容,天線集成需嚴格控制單個電子、電氣設備的電磁發射和敏感度指標,并綜合考慮系統設計、艦船設計、安裝工藝、使用等環節[2]。既需從空間距離、相對位置方面考慮天線的安裝,保證相互間有效的隔離度,也需從技術手段方面采取旁般對消、匿影等措施減小干擾帶來的影響,否則將影響系統的正常工作、系統的可靠性、信息的置信度,甚至危害設備的安全。

4 結語

艦載通信天線綜合集成能較好地解決水面艦船天線擁擠、電磁兼容性差和隱身性不佳等問題,從而提升艦艇的作戰能力,是國內外水面艦船發展的必然趨勢。通過上述分析可知,艦載通信電子設備除了塔康天線方向圖需求特殊,目前適宜單獨安裝之外,其余設備都應該集成為一個射頻一體化的信息系統,實現資源綜合利用并統一調度。歐美國家已經從相關試驗研究階段發展到應用研究階段,并陸續有相關的研制設備裝艦服役。

從目前國外的發展趨勢來看,艦載射頻綜合集主要分為兩大類:一是集成上層建筑方面,主要有美國的多功能電磁輻射系統(MERS)和多功能射頻系統(AMRFS)等。發展多功能平面相控陣天線技術,與上層建筑共形與一體,是射頻綜合集成的最佳選擇,但是技術難度復雜,實現成本較高。二是集成桅桿方面,主要有美國的全封閉桅桿/探測器系統(AEM/S)和英國的先進技術桅桿(ATM)等將需機械掃描雷達天線(含單面雙面相控陣旋轉天線)、獨立和集成的線狀天線可采取集成桅桿方式封裝在集成桅桿內并覆蓋頻率選擇材料(FFS)和雷達吸波材料等有效的解決了電磁兼容和雷達隱身的問題,比較易于實現,但是集成桅桿內部有限空間的多種天線并存,帶來了復雜的電磁兼容問題。艦載通信天線集成的設計需研究全艦時域、空域、頻域、功率、陣面資源的匹配性,選擇比較適宜的集成方式,最終形成具體的天線集成方案。

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Analysis of Shipborne Communication Antenna Integration

LUAN Houbin1CHEN Xi2

(1. The Dalian Shipyard Navy Military Representative Office, Dalian 123456) (2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

By introducing the characteristics of foreign shipborne RF integration, the development and characteristics of the shipborne antenna integration are researched and analyzed. Based on optimization and integration of antenna, the problem of antenna crowded and EMC are solved to effectively improve the battle capability of surface ship.

communication antenna, RF integration, EMC

2013年8月12日,

2013年9月30日

欒厚斌,男,工程師,研究方向:無線通信技術。陳曦,男,助理工程師,研究方向:無線通信技術。

TN821

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.003