艦載通信天線集成發(fā)展分析*

欒厚斌 陳 曦

(1.大連造船廠軍代室 大連 123456)(2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

艦載通信天線集成發(fā)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(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

通過(guò)介紹國(guó)外先進(jìn)艦載射頻集成的特點(diǎn),研究分析艦載通信天線集成的發(fā)展趨勢(shì)與特點(diǎn);從艦船總體時(shí)域、空域、頻域、功率等資源匹配的角度出發(fā),優(yōu)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(wèn)題,從而有效提升水面艦船的作戰(zhàn)能力。

通信天線; 射頻集成; 電磁兼容

Class Number TN821

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,海軍艦船已經(jīng)由傳統(tǒng)的海上火力支撐發(fā)展為集海空陸天四位一體的探測(cè)和攻擊平臺(tái)。而目前我海軍水面艦船上的通信系統(tǒng)天線林立,嚴(yán)重影響艦船的隱身性和電磁兼容性。為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需求,需要把眾多單一獨(dú)立的通信天線系統(tǒng)進(jìn)行射頻集成總體設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)資源共享、統(tǒng)一調(diào)度;解決水面艦船天線擁擠、電磁兼容性和隱身性差的問(wèn)題,從而有效提升水面艦船的作戰(zhàn)能力。

2 國(guó)外艦載射頻集成發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 艦載射頻集成的方式類別

進(jìn)行射頻集成設(shè)計(jì),必須要求相關(guān)電子設(shè)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(shù),即由獨(dú)立單一的天線向多功能孔徑天線、聯(lián)合天線方向發(fā)展。國(guó)外許多國(guó)家都在此方面加強(qiáng)研究,并在很多領(lǐng)域都進(jìn)入了應(yīng)用階段。國(guó)外水面艦船的通信射頻集成發(fā)展主要分為集成桅桿和集成上層建筑兩個(gè)方向[1]。

集成桅桿是將相關(guān)電子設(shè)備的通信天線集成或獨(dú)立封裝在特制的桅桿內(nèi),并覆蓋有頻率選擇復(fù)合材料。如美國(guó)AEM/S先進(jìn)封閉式桅桿傳感器系統(tǒng),將V/UHF超短波通信、敵我識(shí)別、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)等天線封裝在桅桿內(nèi)。

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(jié)構(gòu)共形于一體。如美國(guó)DDG1000新型驅(qū)逐艦裝備固定四面陣天線的多功能相控陣?yán)走_(dá),采用先進(jìn)多功能射頻系統(tǒng)(AMRFS),將雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信等設(shè)備按照頻率相同或相近進(jìn)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(duì)各種資源統(tǒng)一管理,有利于多設(shè)備功能的聯(lián)合使用。

2.2 美國(guó)海軍研究現(xiàn)狀

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

全封閉桅桿/探測(cè)器系統(tǒng)(AEM/S)采用了多種復(fù)合材料研制而成[3]。天線裝置安裝在內(nèi)部,上半部覆蓋頻率選擇材料,可以讓特定的周波數(shù)穿過(guò),使RCS減小。與傳統(tǒng)桅桿相比,AEM/S不僅重量輕,而且安裝在其內(nèi)部的天線裝置保養(yǎng)工作量也少了很多。桅桿上半部的六角形錐體內(nèi)安裝了MK25型和SPS-40型雷達(dá)天線,下半部安裝了波導(dǎo)管。V/UHF綜合通信天線,敵我識(shí)別器天線、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航雷達(dá)天線安裝在桅桿頂端。2001年底,美海軍對(duì)AEM/S進(jìn)行了改進(jìn)。在其內(nèi)部加裝了IN-MARSAT衛(wèi)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(tǒng)(MERS)主要為整合了四種探測(cè)和通信系統(tǒng)的天線,包括作戰(zhàn)知識(shí)系統(tǒng)、V/UHF接收器、敵我識(shí)別器、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS)和UHF通信系統(tǒng)。

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

多功能射頻系統(tǒng)(AMRFS)主要研究實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)天線裝置的一體化,其核心是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件的控制射頻設(shè)備根據(jù)實(shí)際需求,只適應(yīng)選擇相對(duì)應(yīng)的陣列天線,從而實(shí)現(xiàn)多種電子設(shè)備天線裝置的一體化。美國(guó)DDG1000新型驅(qū)逐艦采用了該系統(tǒng),按照頻率高低自上而下布置在上層建筑側(cè)壁上。最上面一層是毫米波波段衛(wèi)星通信/電子戰(zhàn)/定位報(bào)告系統(tǒng)。下一層是多功能X波段有源相控陣?yán)走_(dá)(MFR)/電子戰(zhàn)(2GHz～18GHz)/協(xié)同作戰(zhàn)(CEC)/衛(wèi)星通信。再下一層是L波段雷達(dá)/電子戰(zhàn)/海事衛(wèi)星。底層是UHF衛(wèi)星通信/電子戰(zhàn)[4]。如圖1所示。

圖1 美海軍DDG1000效果示意圖

2.3 英國(guó)海軍先進(jìn)技術(shù)桅桿(ATM)

90年代初期,英國(guó)海軍開始實(shí)施先進(jìn)技術(shù)桅桿(ATM)研究計(jì)劃[5],并在2005年成功地將其應(yīng)用與“皇家方舟”號(hào)航空母艦。

英國(guó)海軍最早把這種桅桿命名為一體化技術(shù)桅桿(ITM)。它是一個(gè)八角形錐體,表明覆蓋了雷達(dá)吸波材料,內(nèi)部安裝各種探測(cè)器和通信天線。在天線裝置所對(duì)應(yīng)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(guò),防止它們之間與外部的電磁干擾。

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

2.4 德國(guó)集成多探測(cè)器桅桿(IMSEM)

作為德國(guó)海軍未來(lái)F125級(jí)護(hù)衛(wèi)艦的概念設(shè)計(jì)艦,FDZ-2020計(jì)劃是德國(guó)面向21世紀(jì)海上作戰(zhàn)需求而做的項(xiàng)目計(jì)劃。FDZ-2020采用了集成式全封閉式桅桿或稱為“集成多探測(cè)器桅桿”(IMSEM)。該型桅桿為一金字塔形封閉式桅,塔頂為一個(gè)較小的圓球,即紅外、激光、雷達(dá)告警接受器,接收器下方為通信天線系統(tǒng)陣,下層依次布置六邊棱形綜合天線,X波段“阿伯”相控陣?yán)走_(dá)及數(shù)據(jù)鏈,桅桿的頸線位布置C波段平面列陣?yán)走_(dá)天線,主桅桿下段布置S或L波段的平面陣列雷達(dá)天線,使整個(gè)桅桿容納各種對(duì)空、對(duì)海搜索雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)、火控雷達(dá)、空中管制雷達(dá)天線以及各式通信、數(shù)據(jù)傳輸、電子對(duì)抗天線和紅外、激光、雷達(dá)告警接收天線。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了將全艦探測(cè)、通信系統(tǒng)有機(jī)整合的“孔徑集成”[7]。將傳統(tǒng)布局散落于艦體各處的探測(cè)器、天線集中起來(lái),即降低了雷達(dá)反射截面積,又比較好地解決了電磁兼容問(wèn)題。如圖2所示。

圖2 德海軍F125級(jí)護(hù)衛(wèi)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(guó)外艦船射頻集成的研究發(fā)展現(xiàn)狀可以看出,現(xiàn)代艦船射頻功能需求與雷達(dá)隱身性要求比較高,需總體從時(shí)域、空域、頻域、功率等資源優(yōu)化的角度出發(fā),優(yōu)化陣面口徑,提高電磁兼容性和雷達(dá)波隱身性,從而促進(jìn)提高整體的戰(zhàn)斗性能。

進(jìn)行通信總體射頻集成設(shè)計(jì)時(shí),需研究全艦時(shí)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(shí)現(xiàn)所需總體資源的計(jì)算分析方法。然后,分析當(dāng)前艦載射頻集成設(shè)備對(duì)總體資源的占用情況,以及通過(guò)采用新技術(shù)降低資源消耗的可能性。最后,依此基于射頻功能實(shí)現(xiàn)、電磁兼容性以及總體資源優(yōu)化的需求,優(yōu)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(gè)方面:

1) 頻域資源:主要包含工作頻段和信號(hào)帶寬兩方面。工作頻段范圍越大,工作頻點(diǎn)選擇余地越大,利于抵抗外來(lái)干擾并提高性能。艦上通信設(shè)備通常采用頻率捷變的方式,在工作頻段范圍內(nèi)的多個(gè)頻點(diǎn)工作,以提高探測(cè)概率,并抵抗來(lái)自敵方的電子干擾。信號(hào)帶寬越大,攜帶的信息量越多,設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的能力越強(qiáng)。通信設(shè)備可通過(guò)增大信號(hào)帶寬提高通信信道的物理帶寬。

2) 時(shí)域資源:主要包含工作時(shí)機(jī)和信號(hào)使用時(shí)間兩方面。射頻設(shè)備工作的時(shí)機(jī)根據(jù)作戰(zhàn)使用的需求各不相同。通信設(shè)備需根據(jù)實(shí)時(shí)需求進(jìn)行工作。信號(hào)使用時(shí)間具體為信號(hào)的形式和數(shù)據(jù)率需求。雷達(dá)信號(hào)一般為脈沖信號(hào),在時(shí)域上是離散;通信信號(hào)則通常為連續(xù)信號(hào),在一個(gè)信號(hào)發(fā)射周期內(nèi)是連續(xù)的[8]。數(shù)據(jù)率為單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)發(fā)射的次數(shù),是數(shù)據(jù)更新的快慢表征,具體為雷達(dá)航跡的更新率、通信時(shí)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(xiàn)在天線的口徑和布置的位置。天線的口徑?jīng)Q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(shè)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(jié)合天線的工作需求和艦面設(shè)備布置條件,通過(guò)布置多部天線進(jìn)行補(bǔ)盲。天線的波束覆蓋范圍直接決定了射頻設(shè)備的能力,一般多要求全方位覆蓋。

4) 功率資源:射頻對(duì)總體的功率需求主要包含供電和冷卻兩個(gè)方面。為了滿足輻射信號(hào)的強(qiáng)度要求,射頻天線需具備足夠的發(fā)射功率,對(duì)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(zhì)上是一個(gè)傳輸過(guò)程。艦載通信從功能上可分為戰(zhàn)術(shù)通信、數(shù)據(jù)鏈通信以及衛(wèi)星通信。通信的主要技術(shù)指標(biāo)包括通信距離和范圍、傳輸數(shù)率及誤碼率。通信距離的能力取決于發(fā)射功率和通信對(duì)方的接收靈敏度,并受限于視距要求。同時(shí),對(duì)于利用電離層反射進(jìn)行超視距傳播的通信信號(hào),還需考慮發(fā)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(guān)。戰(zhàn)術(shù)通信由于傳輸距離需求,一般選取短波或超短波段。數(shù)據(jù)鏈通信由于數(shù)據(jù)傳輸對(duì)帶寬的需求,一般選取頻段較高的微波頻段。而衛(wèi)星通信的頻段則需與衛(wèi)星系統(tǒng)相一致。通信功能的時(shí)域資源需求在宏觀上取決與使用需求具有隨機(jī)性,微觀上取決于數(shù)據(jù)傳輸率和需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(yuǎn)距離傳輸通信信號(hào)強(qiáng)度需求。

進(jìn)行天線集成的相關(guān)艦載通信系統(tǒng),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(gè)方面:

1) 工作頻段較寬,系統(tǒng)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(tǒng)的整體效益,較為接近的系統(tǒng)工作頻率易于實(shí)現(xiàn)天線單元的排列布陣,降低單元互耦對(duì)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(guò)靈活的波束控制能夠?qū)崿F(xiàn)大多數(shù)系統(tǒng)的方向圖,是所有射頻一體化系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。波束控制靈活最根本的好處在于系統(tǒng)能根據(jù)艦載設(shè)備的戰(zhàn)術(shù)操作需求,調(diào)整設(shè)備的功能。不僅可在指定的時(shí)間將工作中的射頻功能進(jìn)行特定的組合,而且能根據(jù)需要對(duì)這些射頻功能的參數(shù)進(jìn)行配置(如所需的發(fā)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(tǒng)可通過(guò)正確地分配其資源,快速滿足一組功能。

3) 系統(tǒng)具有良好的電磁兼容性。為了滿足戰(zhàn)術(shù)需求,有時(shí)需要多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)工作,同一時(shí)間將產(chǎn)生多個(gè)發(fā)射波束和多個(gè)接收波束。而射頻集成在一起的系統(tǒng),可以采取多種技術(shù)手段,如收發(fā)陣面分離、頻分或時(shí)分復(fù)用技術(shù)等,形成多個(gè)波束,保證系統(tǒng)間不會(huì)因相互干擾造成性能下降[11]。

3.3 通信天線集成方式

應(yīng)根據(jù)通信設(shè)備天線的情況確定采用合適的方式進(jìn)行射頻綜合集成[1]。其中應(yīng)該主要考慮以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:

1) 平面相控陣天線可通過(guò)靈活的波束控制實(shí)現(xiàn)設(shè)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(jī)械掃描雷達(dá)天線(含單面雙面相控陣旋轉(zhuǎn)天線)、獨(dú)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(nèi)。

3) 同一艘艦船上可同時(shí)采用集成上層建筑和集成桅桿布置相應(yīng)的天線。

4) 個(gè)別天線方向圖要求特殊的設(shè)備較難進(jìn)行射頻集成,如“塔康”天線等可單獨(dú)安裝。

5) 天線簡(jiǎn)單、尺寸小而不需要集成,以免增加集成的復(fù)雜度。

6) 由于系統(tǒng)體制原因需要單獨(dú)工作,以免占據(jù)時(shí)間較長(zhǎng)影響本系統(tǒng)或其它系統(tǒng)正常工作。

為了減小電磁危害、實(shí)現(xiàn)電磁兼容,天線集成需嚴(yán)格控制單個(gè)電子、電氣設(shè)備的電磁發(fā)射和敏感度指標(biāo),并綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)、艦船設(shè)計(jì)、安裝工藝、使用等環(huán)節(jié)[2]。既需從空間距離、相對(duì)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(shù)手段方面采取旁般對(duì)消、匿影等措施減小干擾帶來(lái)的影響,否則將影響系統(tǒng)的正常工作、系統(tǒng)的可靠性、信息的置信度,甚至危害設(shè)備的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

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(wèn)題,從而提升艦艇的作戰(zhàn)能力,是國(guó)內(nèi)外水面艦船發(fā)展的必然趨勢(shì)。通過(guò)上述分析可知,艦載通信電子設(shè)備除了塔康天線方向圖需求特殊,目前適宜單獨(dú)安裝之外,其余設(shè)備都應(yīng)該集成為一個(gè)射頻一體化的信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)資源綜合利用并統(tǒng)一調(diào)度。歐美國(guó)家已經(jīng)從相關(guān)試驗(yàn)研究階段發(fā)展到應(yīng)用研究階段,并陸續(xù)有相關(guān)的研制設(shè)備裝艦服役。

從目前國(guó)外的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)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(guó)的多功能電磁輻射系統(tǒng)(MERS)和多功能射頻系統(tǒng)(AMRFS)等。發(fā)展多功能平面相控陣天線技術(shù),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(shù)難度復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)成本較高。二是集成桅桿方面,主要有美國(guó)的全封閉桅桿/探測(cè)器系統(tǒng)(AEM/S)和英國(guó)的先進(jìn)技術(shù)桅桿(ATM)等將需機(jī)械掃描雷達(dá)天線(含單面雙面相控陣旋轉(zhuǎn)天線)、獨(dú)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(nèi)并覆蓋頻率選擇材料(FFS)和雷達(dá)吸波材料等有效的解決了電磁兼容和雷達(dá)隱身的問(wèn)題,比較易于實(shí)現(xiàn),但是集成桅桿內(nèi)部有限空間的多種天線并存,帶來(lái)了復(fù)雜的電磁兼容問(wèn)題。艦載通信天線集成的設(shè)計(jì)需研究全艦時(shí)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(wú)線通信技術(shù)。陳曦,男,助理工程師,研究方向:無(wú)線通信技術(shù)。

TN821

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.003