艦船結(jié)構(gòu)對天線輻射性能影響程度的分析

吳 暉，陳 謙，王燕燕，歷園園，姜 弢

(1.海軍駐武漢701 所軍事代表室，湖北 武漢430064;2.中國艦船研究院，北京100192;3.哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

隨著艦船信息化程度的不斷提高，艦船天線數(shù)量增多。艦船甲板上的金屬結(jié)構(gòu)受到電磁波照射后會產(chǎn)生反射或散射作用，引起天線輻射方向圖畸變，影響天線的輻射特性，進而影響艦船電子設備，破壞艦船電磁兼容［1－3］。本文基于物理光學法及物理繞射理論［4－5］，采用專業(yè)的艦船電磁仿真軟件Ship－EDF，計算艦載天線系統(tǒng)的輻射方向圖，直觀、清晰地分析艦船結(jié)構(gòu)對天線輻射特性的影響［6－7］。由于艦船桅桿處集中了大量的電子設備及天線，因此本文重點研究艦船桅桿處的射線追蹤情況和艦船桅桿對天線輻射特性的影響，以及天線上艦前后方向圖特性對比，進而分析艦船結(jié)構(gòu)對天線輻射特性影響程度。研究艦船結(jié)構(gòu)對天線輻射特性的影響程度對于改善艦船電磁環(huán)境、提高艦船作戰(zhàn)能力、增強艦船生命力具有重要意義［8－10］。

1 艦載天線輻射特性

天線理論中常用于表示天線性能的參數(shù)主要是方向圖、電壓駐波比、輸入阻抗、反射系數(shù)、回波損耗等。其中天線方向圖可以直觀地獲得天線在不同方向輻射或者接收電磁波的能力，天線方向圖可以說明天線輻射特性隨著空間位置的變化關系。

以某艦船為例，研究艦船結(jié)構(gòu)對天線輻射特性的影響。將工作在S 波段的天線安裝到艦船上層建筑上，并垂直于艦船表面向外輻射電磁波，如圖1所示天線1及天線2。分別計算天線上艦前后方向圖以及天線在不同位置時，艦船結(jié)構(gòu)對天線輻射特性的影響。重點研究艦船桅桿對天線1 及天線2 輻射特性的影響。

圖1 艦船模型及天線安裝位置Fig.1 Ship model and installation position of antenna

天線安裝到艦船上以后，受到艦船結(jié)構(gòu)的影響，天線方向圖發(fā)生畸變。主要原因是當天線輻射電磁波時，電磁波在艦船結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生的繞射、反射等行為影響了艦載天線系統(tǒng)的散射場，進而影響了天線的輻射特性。

為了更加清晰地展示艦船結(jié)構(gòu)對天線方向圖的影響，采用Delta 增益方法來顯示，如圖2和圖3所示。

其中，鏈路特性是安裝的天線增益與同一個天線在自由空間時增益的比與軟件默認的Delta Gain的比得到的。因此，可以用鏈路特性來表征天線方向圖的特性。Good link 說明性能良好，可以正常工作;Uncertain link為不確定鏈路;no link 說明不能正常工作。通過鮮明對比，可以看到，在自有空間時天線1的Good link為98.64%，而上艦后的Good link為96.92%，天線輻射特性有一定下降。這說明艦船結(jié)構(gòu)在受到電磁波照射后產(chǎn)生的散射場影響了天線的遠場方向圖，導致輻射性能下降。

2 艦船結(jié)構(gòu)對天線輻射性能的影響

圖2 天線1 自由空間鏈路特性Fig.2 Link feature of antenna 1 in free space

圖3 天線1 上艦后鏈路特性Fig.3 Link features of antenna 1 in ship

由前面分析可知，天線上艦后，方向圖發(fā)生畸變，輻射特性受到影響。說明艦船結(jié)構(gòu)影響了天線的輻射性能。通常艦船上層建筑安裝有大量的電子設備及天線，尤其是艦船桅桿，結(jié)構(gòu)復雜，天線林立。因此重點研究艦船桅桿對天線輻射特性的影響。并通過射線追蹤的情況驗證艦船桅桿對天線輻射特性［5］的影響機理。分別計算天線安裝在有桅桿及無桅桿的艦船上時天線的鏈路特性以及有桅桿及無桅桿時的射線追蹤情況。

2.1 艦船桅桿對天線輻射特性的影響

圖4為有桅桿時天線1的鏈路特性，圖5為無桅桿時天線1的鏈路特性。

從圖4和圖5 可以看出，當天線1 安裝在有桅桿的艦船上時，Good link為96.92%;當天線1 安裝在無桅桿的艦船上時，Good link為96.02%。

圖6和圖7 分別為艦船有無桅桿時，天線2的鏈路特性。對比可知，有桅桿時，天線2的Good link為96.53%;無桅桿時為96.96%。

天線1 在有桅桿的情況下，鏈路特性較無桅桿時好，而天線2 相反。由以上結(jié)果可知，艦船桅桿對天線輻射性能有一定影響，但不都是使天線性能變差，取決于天線的布局。本例中天線1 安裝在距離桅桿稍遠的位置，而天線2 距離桅桿較近，因此，導致天線2 在有桅桿時，性能變差。

圖4 有桅桿時天線1 鏈路特性Fig.4 Link feature of antenna 1 with mast in ship

圖5 無桅桿時天線1 鏈路特性Fig.5 Link feature of antenna 1 without mast in ship

圖6 有桅桿時天線2 鏈路特性Fig.6 Link feature of antenna 2 with mast in ship

2.2 艦船桅桿到天線的射線追蹤

為進一步了解艦船桅桿對天線輻射特性的影響，計算艦船桅桿到天線的射線追蹤情況。在桅桿附近取一觀察點，通過觀察到達該點的射線數(shù)量，來判斷場強大小。

圖7 無桅桿時天線2 鏈路特性Fig.7 Link feature of antenna 2 without mast in ship

圖8 有桅桿時天線1 射線追蹤Fig.8 Ray tracing of antenna 1 with mast in ship

圖9 無桅桿時天線1 射線追蹤Fig.9 Ray tracing of antenna 1 without mast in ship

由圖8和圖9 可以看出，到達觀察點處的射線數(shù)量較無桅桿時多，且天線周圍射線數(shù)量也較無桅桿時多。說明，有桅桿時天線1 輻射性能較無桅桿時好的原因是由于艦船桅桿對天線1 周圍散射場貢獻較大，散射場的適量疊加增強了天線的輻射性能。

3 結(jié) 語

仿真結(jié)果表明，天線安裝在艦船上以后，天線的輻射特性較自由空間時都有所下降，即艦船結(jié)構(gòu)對天線的輻射特性有一定影響。進一步分析艦船桅桿對天線輻射特性的影響得出，天線1 在有桅桿時比無桅桿時的輻射性能強，天線2 在無桅桿時比有桅桿時輻射性能強。說明艦船結(jié)構(gòu)對天線輻射性能的影響還取決于天線的布局，即天線與艦船桅桿的距離。因此設計和安裝艦船天線時，不僅需要考慮艦船結(jié)構(gòu)對天線性能的影響，還需要對天線安裝位置合理布局。這對于改善艦船電磁環(huán)境、提高艦船作戰(zhàn)能力、增強艦船生命力具有重要意義。

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