潛艇圍殼短波天線輻射特性仿真

楊 超

(武漢船舶設計研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引 言

潛艇圍殼區域空間有限，天線布置緊湊。天線強輻射近場不僅會對人員造成電磁安全性危害，也會使其他天線、設備受到電磁能量阻塞甚至毀傷；在載體的影響下，天線輻射方向圖會發生畸變。在潛艇總體論證和設計初期，電磁仿真預測作為獲取電磁安全性數據、預報天線布局方案可行性以及指導優化設計的重要手段，對于有針對性地確定效費比最佳的圍殼天線布局和優化設計方案具有重要的意義。

20世紀末，美國洛氏國際海試科學中心提出了潛艇電磁兼容系統工程方案，在這個方案中首先提出了采用計算機技術對潛艇進行電磁設計。美國海上系統司令部干舷設計小組也為美海軍潛艇綜合電磁設計開發了一些軟件系統，建立了許多潛艇電磁環境分析的計算機模型。美海軍海上系統司令部同海軍指揮、控制和海洋監測中心試制部以及洛氏國際公司一起研制開發了二維和三維科學數據顯象工具，利用這些計算機圖形顯象技術幫助潛艇設計者進行直觀的優化設計。

1 建模及計算方法

本文參考Suboff潛艇進行幾何建模[1-5]，建立的潛艇幾何模型如圖1所示，包含主體和指揮臺圍殼。Suboff項目由美國國防高等研究計劃署（DARPA）提出，其潛艇模型由軸對稱體、圍殼、尾翼等組合而成。

Suboff模型總長4.356 m，最大直徑0.508 m。指揮臺圍殼長0.368 m，高0.206 m。計算時將其放大20倍。

矩量法（MoM）適合求解線面結合問題，其最早用來求解線問題，最后推廣用于求解三維問題。這類方法的一個優點是采用面剖分的方法，求解物體表面的感應電流；不需要設置邊界條件，不需要對全部計算空間進行體剖分；不存在數值色散誤差；適合處理弱非均勻性目標。1982年，S.M.Rao，D.R.Wilton和A.W.Glisson提出的RWG基函數極大地推動了矩量法（MoM）的發展。RWG基函數能夠很好地描述表面電流的物理特性，而且其基于平面三角形網格，可以對任意形狀目標進行剖分，是目前應用最多的一種基函數。為了加快算法的計算效率，提出了高階基函數和曲面基函數等。Lu，Song和Chew提出了MLFMA，使計算效率大大提高，計算機內存需求和計算時間降至O(NlogN)。在此基礎上，Chew與Cui引入快速遠場近似和射線傳播技術，使MLFMA的計算效率進一步提高。

圖1 建立的潛艇幾何模型Fig.1 Geometric model of submarine

根據導體表面的邊界條件，由式（1）得電場積分方程：

將式（3）代入式（2），并運用伽略金法，得到下面的矩陣方程：

2 仿真

計算時網格剖分模型如圖2所示。在圍殼上布置一根單極短波天線，該單極天線發射時，艇體表面電流分布仿真結果如圖3所示。

圖2 網格剖分模型Fig.2 Mesh splitting model

圖3 艇體表面電流分布仿真結果Fig.3 Simulation results of current distribution on submarine surface

設置無窮大導電平面模擬海水，半潛狀態下輻射方向圖仿真結果如圖4所示。

圖4 半潛時輻射方向圖仿真結果Fig.4 Simulation results of radiation pattern at half latency

半潛狀態下圍殼上單極短波天線發射時，輻射電場分布云圖如圖5所示。

圖5 半潛時輻射電場分布云圖Fig.5 Radiation electric field distribution nephogram at half latency

艇體潛入水下3/4，圍殼上單極短波天線發射時輻射方向圖如圖6所示。

圖6 潛入水下3/4時輻射方向圖仿真結果Fig.6 Simulation results of radiation pattern at 3/4

艇體潛入水下3/4，圍殼上單極短波天線發射時輻射場強分布云圖如圖7所示。

圖7 潛入水下3/4時輻射電場分布云圖Fig.7 Radiation electric field distribution nephogram at 3/4

3 仿真分析

在上述輻射特性仿真的基礎上，模擬了潛艇不同下潛狀態下在垂直剖面和水平剖面上的輻射電場分布云圖，將短波天線周圍的遠場和近場數值以更加直觀的顏色區分加以體現，可為潛艇電磁兼容性設計提供支撐。

建立如圖8所示坐標系，設艇首指向艇尾為x軸正向，潛艇右舷為y軸正向，潛艇左舷為y軸負向，短波天線位置為原點。

圖8 潛艇模型坐標軸模型Fig.8 Submarine model coordinate axis model

依據潛艇模型不同潛態的仿真結果[7]，可得電場強度分布曲線圖如圖9所示。

圖9 短波天線輻射x軸電場強度Fig.9 Electric field strength of x-axis radiated by short-wave antenna

圖10 短波天線輻射y軸電場強度Fig.10 Electric field strength of y-axis radiated by short-wave antenna

由圖9和圖10可看出，輻射電場X分量以艇體y=0的縱剖面為對稱平面成類似對稱分布，天線正上方為正峰值，依次向首尾方向衰減；輻射電場Y分量以艇體x=0的橫剖面為對稱平面成反對稱分布，在天線正上方為一中間均值，在兩舷側對稱各有一個反向峰值。仿真結果表明輻射感應電場具有明顯的空間分布特性，且艇體周圍區域輻射電場具有一定的規律性，本文僅試驗了單支天線的輻射電場分布特性，在多支天線同時存在時互相增益或衰減特性則有所不同，艦載雷達天線間的散射、繞射、諧振和耦合現象也會影響最終的電場分布結果。本文仿真分析結果與其他文獻提供的實測結果[8]相比較，具有較好的一致性。

4 結 語

在潛艇論證設計階段，電磁兼容優化布局需要將圍殼上的天線系統進行綜合考慮，進行合理的布置，以避免相互影響。借助仿真預測技術，對各種天線布置方案的性能優劣進行評估，可大大減小工作量，最后確定最佳的方案。在仿真預測中，還有許多關鍵技術有待突破，如圍殼復合材料的建模與仿真，海面及海浪的模擬，預測精度的試驗驗證等。