水面艦船通信天線集成研究

周 洋，彭維雪

(1.海軍駐上海江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室，上海201913;2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064)

0 引 言

隨著電子信息系統在現代海戰中發揮著越來越重要的作用，雷達、電子戰、通信等各種電子系統在艦船上得到了廣泛應用，艦上的天線種類越來越多［1］。各種信息系統的天線布置在上層建筑的狹小空間里，使艦船上層建筑的擁擠程度幾乎到了極限，而且這些天線相互干擾，產生嚴重的電磁兼容問題［2］。艦載武器系統和電子信息系統隨著戰爭需要還會日益增加，電磁兼容問題日趨嚴峻。大量的天線和高聳的桅桿既妨礙艦船視覺美觀和電磁隱身，也不利于艦船提高航行速度和靈活機動運行。

目前集成化上層建筑或集成桅桿設計是解決以上問題的最好方法，而其中最關鍵的技術則是以天線集成為主要內容的各種射頻系統綜合集成設計技術。目前艦船一半以上的天線與通信系統，因此對通信天線集成的研究也是集成上層建筑技術發展的關鍵一步。

1 國外研究發展情況

西方首先提出了艦載射頻集成概念，分別采用射頻封裝、射頻一體化、射頻綜合(后兩者通稱為共形集成)技術，實現包括雷達、通信和電子戰等在內的多種艦載射頻功能集成，進一步提高艦船兼容性能，最大限度改進艦船隱身性能，提升艦船整體作戰能力。射頻一體化的核心是天線集成技術，即獨立天線向聯合天線、多功能孔徑天線方向發展［3］。天線的形式和種類由單一頻段、單一功能向多頻段、多波束、多功能轉變，實現天線孔徑共用、天線集成、天線與上層建筑共形設計和集成。

天線集成技術是將多種天線集成化、平面化，將天線嵌入、集成到上層建筑中，簡化天線布局和兼容問題，提高電磁系統性能和作戰性能的技術［4］。美、英、德、荷蘭、法、瑞典等都已相繼開發出自己的多功能封閉式桅桿，以集成不同系統、相近頻段的各種天線，并與船體結構進行一體化設計［5-7］。

歐洲泰利斯(Thales)公司開發的集成通信天線系統 ICAS (Integrated Communication Antenna System)如圖1所示。該系統覆蓋頻率范圍較廣，采用模塊化、開放式體系架構，能夠隨著科技和海軍需求的變化而升級，裝備在艦船上隱身性能良好。支持VHF 108～174 MHz、UHF 225～400 MHz、16 鏈路RX 960～1215 MHz、通用ESM 800～2000 MHz、GSM/UMTS 850～2200 MHz、銥星1616～1626.5 MHz、Wimax 4.4～5.0 GHz通信。主要集成了對海VHF、UHF通信、對空VHF/UHF通信、11 鏈路和22 鏈路的UHF 部分(共用UHF通信通道)、自動識別系統(AIS)與國際海上移動通信(共用VHF通信通道)、16 鏈路RX (TX 任選)、通用移動電信系統(GSM/UMTS)電話、銥星(lridium)、微波存取全球互通 (Wimax)、支持測向、支持ESM通信等。

圖1 Thales 公司的集成通信天線系統(ICAS)Fig.1 Integrated communication antenna system (ICAS)

法國多錐體封閉式復合結構桅桿新型水面艦船“劍”(見圖2)，采用模塊化三面體設計，干舷內傾，整個艦體和低矮的上層建筑交接處平滑過渡，避免任何垂直平面、垂直圓柱面和角反射體，其雷達和天線都集成到封閉式桅桿類的多錐體復合結構中，隱形性能良好，艦體能與海上背景環境融為一體，雷達反射截面積極低。天線以平面相控陣形式嵌入上層建筑，例如高頻超視距雷達天線陣列嵌入了上層建筑最頂端的面板中。上層建筑上的封閉式桅桿則集成了衛星天線、S 波段雷達、X 波段雷達、V/UHF通信天線等天線。“劍”的艦體和部分組件還大量使用新型復合材料，可有效減少雷達信號。

圖2 法國多錐體封閉式復合結構桅桿艦船—— “劍”Fig.2 Multi cone closed composite mast of French ship-Sword

美國陸續研制了先進封閉式桅桿/傳感器系統(AEM/S)、多功能電磁輻射系統(MERS)、先進多功能射頻系統(AMRFS)等，把多幅不同頻段的天線合成一副天線系統，以便安裝到封閉桅桿上。與此同時，美國也大力研究天線陣面化。DDG1000 驅逐艦是以上研究成果具體應用的優秀代表。該艦上層建筑(見圖3)采用了具有低雷達波和紅外輻射特征信號的全復合材料，外板嵌入了各種頻段的相控陣天線與上層建筑一體化設計，采用頻率選擇材料(FSS)天線罩，僅限于特定的電磁信號通過，大大減小了雷達反射面積，提高了隱身性，減輕了上層建筑重量，也比較好的解決了電磁兼容問題。

艦船頂部的多功能集成桅桿只有不到4 m 高，集成了敵我識別(IFF)、V/UHF 超短波、LINK 11 及LINK 22數據鏈、聯合戰術信息分配系統(JTIDS)、增強定位報告系統(EPLRS)等天線，采用收發分離、垂直隔離的天線陣，實現多功能同時工作所需的收發隔離性能，并用寬帶天線實現寬帶通信和電子戰的需求，能提供高達23 路射頻信道，減少了桅桿上的天線數量。

圖3 DDG1000 集成化上層建筑示意圖Fig.3 Schematic diagram of DDG1000 integrated superstructure

2 通信天線集成發展思路

未來艦船通信天線的發展思路是從獨立天線到模塊化集成天線，并與桅桿或上層建筑進行共形設計。基礎技術發展方面，寬帶射頻電路技術、多頻段/多波束寬帶天線技術、射頻電路和艦載天線共用技術等，可以實現通信天線射頻前端集成化。網絡技術、軟件無線電技術、一體化硬件和軟件平臺設計技術、電子設備模塊化技術等，可以支撐艦艇通信天線實現一體化集成。

由于艦船通信系統使用的無線頻譜范圍較寬，需要針對不同類型、頻段天線采用不同技術和措施，實現通信天線的集成。

1)短波、中波

短波、中波主要實現艦船的中遠距離通信，傳統的艦船短波天線一般為鞭狀或扇形，中波天線一般為鞭狀，天線高度高，尺寸大，集成設計難度大，造成艦船的雷達反射截面積大，隱身性差。對中、短波天線集成設計，可通過天線小型化，研究寬帶匹配網絡從而降低短波天線高度。也可通過短波寬帶加載鞭天線方式集成中波、短波天線;或者研究中、短波天線與艦船上層建筑共形，通過利用上層建筑四角組陣完成全方位接收覆蓋，達到降低雷達反射截面積、增強隱身性的目的。同時為了減少艦載短波信道及天線數量也可以組網通信方式替代傳統的點對點通信方式，加強短波通信網絡的建設。

2)超短波、微波

超短波通信主要實現艦船的視距通信，微波通信主要應用于微波高速數據傳輸。超短波、微波天線集成的相關研究國內外目前開展的也最廣泛。通過采用先進的集成化和模塊化理念，將超短波、微波頻段多種類型天線進行集成設計，利用陣列或平面陣天線、選擇合適的頻選材料作天線罩，實現與桅桿或上層建筑共形，從而減少獨立天線數量，降低天線對艦船布置空間要求，保證美觀性和隱身性。研究發展天線合路技術，使艦上多部電臺使用公共的天饋系統進行工作，在不影響系統正常通信的前提下，進一步減少艦面天線數量，便于天線集成，并有效緩解傳統艦載通信系統存在的多臺共址電磁干擾問題。多個射頻收發設備共用天線孔徑，可使通信設備與相近頻段其他系統設備充分發揮性能，避免由于電磁兼容性而采用的使用控制措施。

大力發展超短波、微波天線陣面化。由于平面陣天線安裝在上層建筑外壁時，天線方向圖無法做到水平面全向覆蓋。為保證水平面全向覆蓋，必須在艦船上層建筑的不同部位安裝多個天線，并合理控制各天線單元的饋電幅度和相位，使得在考慮艦船結構條件下，多個天線同時工作時合成的水平面方向圖保持全向，并且在天線饋電網絡中對各天線單元的損耗進行補償。

也可考慮短波與超短波天線集成，采用中饋天線、套筒天線等原理，選取合適的磁環、匹配網絡形式，使天線的阻抗帶寬和增益達到合理的平衡設計;選擇合理尺寸和饋電方式，實現天線的寬帶設計，使一付天線兼顧短波與超短波頻段。

3)衛星通信

衛星通信可保障艦船遠距離、大容量綜合業務的可靠傳輸。衛星通信天線以大尺寸的拋物面天線形式存在，對艦船上層建筑雷達波隱身性設計影響較大，可考慮通過透波材料將天線進行遮蔽設計，使設備內嵌于船體，并與船體結構一體化設計;也可通過天線陣面化達到與船體上層建筑一體化共形設計，從而達到控制雷達波隱身截面積(RCS)的目的。同時也可將不同頻段衛通天線功能集成到一副天線上，減少艦面天線數量。

3 艦船一體化上層建筑設計中天線集成形成

目前天線的集成形式主要有集成上層建筑或集成桅桿，應根據通信天線的情況確定采用哪種集成方式，并根據天線安裝位置處艦體外形結構和安裝空間大小，設計合適的陣列或陣面天線及其匹配電路。按功能需求，恰當地選擇射頻口徑的形狀和高度，避免天線方向圖覆蓋非輻射功能區而造成設備間干擾，應盡量提高其帶外抑制度，避免靜噪、雜散、諧波干擾。在天線各單元安裝位置確定的條件下，確定輸入/輸出端口到各天線單元的電纜長度，根據所需電纜的類型確定各電纜的損耗。在饋電網絡設計時，需對各段電纜的損耗進行補償。

天線集成結構及外形設計應能滿足與桅、上層建筑共形適裝的要求，滿足結構強度總振動的要求。其重量和外形尺寸應盡量小，并且在桅壁、上層建筑的開口應盡量少、開口尺寸不應太大，開口處宜以不斷強骨架為原則，并應遮蔽處理，避免腔體散射。

天線集成后應具有較好的光電紅外和雷達波隱身性能，其自身的RCS 應盡量地小。結合總體設計要求采用雷達波隱身外形，對于無法通過外形隱身設計達到隱身要求的強散射源部位應采用隱身材料，相關部位合理應用隱身非金屬復合材料、結構吸波材料和透波涂料。這些材料應具有質輕、吸/透波性能好、機械性能好、耐海洋環境、防腐防漏等性能。

天線集成設計的關鍵技術之一是天線罩技術。天線罩要滿足電性能和結構性能要求。選擇合適的屏蔽材料、吸波材料等特殊材料實現隔離，抑制耦合通道;采用絕緣材料和頻率選擇性材料等特殊材料構造集成天線的殼體和天線罩，抑制表面波耦合帶來的影響。減少非工作頻段散射，提高隱身性能，并針對天線罩進行外形整形處理，使之與船體一體化。天線及天線罩安裝時，需進行邊緣電連續性處理，以及連接螺栓的隱身化處理。在天線與上層建筑共形連接處，盡量采用同類金屬搭接，并在搭接處采取防潮和防其他腐蝕的保護措施。

天線集成的性能與艦載環境密切相關，特別是天線組陣后的方向圖必須結合艦船環境才有意義。可根據實測結果確定每個天線的性能參數及安裝參數，為后期天線上艦提供參考。

4 結 語

艦船是一個空間受限的海上移動平臺，總體上的電磁兼容性和隱身性成為傳統艦艇難題。通過天線集成技術，減少艦艇電子信息系統尤其是通信系統天線種類和數量問題，是解決艦艇整體隱身性和電磁兼容性，實現新一代綜合性能最優先進艦船的一個重要技術支撐。歐美發達國家在以天線集成為基礎的艦船綜合射頻集成方面已取得了長足發展，研究成果已在新型艦船上裝備。我國目前也已開始相關技術的研究，但在技術研究的廣度和深度，取得的實質性研究成果方面都存在差距，應結合作戰使用需求，大力發展以集成桅桿和集成上層建筑為代表的一體化綜合射頻集成，推進海軍信息化建設。

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