艦艇短波陣列天線抗干擾應用

王添鴿，馬 遷，歐剛強

(1.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 066001；2.解放軍91917部隊，北京 102400)

0 引 言

作為海軍艦艇通信的重要手段之一，艦艇短波通信多采用單根鞭天線，廣泛用于岸艦、艦艦間語音、數據等業務通信保障[1]。由于單根鞭天線屬于全向天線，存在著發信效率低、易被偵察和干擾等問題。

對于典型的海軍水面艦艇，通常有2根以上獨立的鞭天線保障短波發信機工作。如果通過簡單改進，增強現有短波通信裝備抗干擾性能，將大幅提高復雜電磁環境下的艦艇短波通信保障能力。

1 短波二元陣列天線性能分析

1.1 單鞭天線

單鞭天線的遠場輻射功率采用波印廷矢量積分法計算[2-4]，方向性函數為：

(1)

基于艦艇短波通信天線特性,可不考慮地因子，最終的方向函數為：

(2)

按公式(2)對單鞭天線的水平方向圖進行仿真，如圖1所示。

圖1 單鞭天線水平方向圖

1.2 短波多元天線陣列

當多根鞭天線組成均勻直線陣，歸一化陣因子為：

(3)

ψ=ξ+kdcosδ

(4)

根據方向圖乘積定理，可以得出最終均勻直線陣的方向圖函數表達式為：

(5)

式中：ξ為各天線間電流相位差；d為相鄰陣元之間的距離；δ為天線長度；Δ為電波射線與陣軸線角度；N為陣元個數(鞭狀天線根數)；ψ為每根天線與第一根天線總的相位差。

1.3 短波2元天陣列

考慮到艦艇實際情況，當N=2、ψ=0、d=0.25λ時，對于半波天線，ξ分別取0、π/4、π/2、π時，水平方向圖如圖2所示。

圖2 二元陣列天線不同ξ值的水平方向圖

由圖2可知，對于陣元位置固定的短波二元天線陣列而言，可通過改變天線電流相位差改善天線的水平方向圖，以此提高艦艇短波通信的抗干擾性能。

2 艦艇短波二元天線陣列抗干擾性能分析

2.1 相位差計算

由式(5)和圖2可知，當d=0.25λ、ξ=π/2時，短波二元天線陣列的水平方向圖在0°達到最大值。為計算簡便，不妨設二元天線陣列遠場信號為：

ξ+d/λ·cosδ]

(6)

為使δ′方向天線增益最大，則有：

(7)

當δ′分別取π/6、π/2、π、3π/2時，對應的ξ值及天線方向圖分別如圖3、圖4所示[5]。

圖3 ξ值

圖4 2元陣列天線不同δ′值的水平方向圖

2.2 抗干擾性能分析

艦艇在海上執行任務期間，以短波單邊帶通信系統為例，通信接收機端遠場通信信號為：

(8)

遠場干擾信號為：

(9)

對于短波單邊帶通信系統，通信接收機端信噪比ρi約等于輸入功率的信噪比[6]：

式中：Rt為通信收發距離；Pt，Gt為通信發射機發射功率和增益；qrt為通信接收天線在發射方向上的增益；Pj，Gj為干擾機輸出功率和增益；γj為干擾的極化損失；Rj為干擾機到通信接收機距離；qrj(θ)為通信接收天線在干擾方向上的增益；Brj為干擾功率進入通信接收機的百分比。

在我通信雙方及敵方干擾兵力位置可知的情況下，通過改變短波二元天線陣列間的相位差，可提高艦艇短波通信的反偵察和抗干擾能力。假設敵方偵察兵力對我實施有效通信偵察及我通信聯絡對象有效接收的通信信號比值均為1，如圖5所示。在短波通信發信機端，當通信聯絡對象與敵方偵察兵力不在同一方向時，可通過改變短波二元天線陣列間的相位差，將通信聯絡對象方位置于圖中陰影部分，提高在通信方向上的天線增益，將敵方偵察兵力置于其他方位，降低在敵方偵察兵力方向上的天線增益，從而降低敵方對我通信偵察的概率[7-9]。同理，

改變短波二元天線陣列間的相位差，可有效降低qrj(θ)值并增加qrt值，進而改善我方通信接收機信干比，降低敵方干擾效果，必要時可通過選擇合適位置的我方其他通信臺站轉信達成抗干擾通信。

圖5 二元陣列天線抗干擾能力分析

3 基于現役艦艇短波天線的二元天線陣列改造方案

對于典型艦艇短波天線，不考慮PTT電路，在不進行較大改動的前提下，通過設置相移控制器、相移器以及分/混頻器，實現對現役艦艇短波天線的二元天線陣列改造；同時考慮到非干擾狀態下，提高現有通信裝備使用效率，設置聯動開關實現獨立天線與陣列天線間的轉換。

以發信為例，在無干擾情況下，可通過控制聯動開關使各開關位于“觸點2”，各發信機可正常獨立工作，如圖6(a)所示。受敵方電子威脅嚴重時，通過控制聯動開關使各開關位于“觸點1”，2根鞭天線共同組成短波二元天線陣列，如圖6(b)所示。此

時，發信機1信號經過分頻器，分成2路信號分別進入天線2及相移器，相移控制器根據敵我地理位置信息，計算相位差并對進入天線1的信號進行相移處理，使天線陣列最大增益方向對準我方通信對象，降低敵方對我進行通信偵察和通信干擾效果。

4 結束語

海軍艦艇短波通信使用獨立鞭天線工作，難以有效應對復雜電磁環境下的電子威脅。通過對短波多元天線陣列進行分析，提出了基于現役艦艇短波天線的二元天線陣列改造設計，通過改變天線相位差，在一定程度上改善了天線水平方向圖，提高了艦艇短波天線效率，增強了艦艇短波通信的抗干擾性能。