潛艇圍殼短波天線輻射特性仿真

楊 超

(武漢船舶設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引 言

潛艇圍殼區(qū)域空間有限，天線布置緊湊。天線強(qiáng)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(shè)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(fā)生畸變。在潛艇總體論證和設(shè)計初期，電磁仿真預(yù)測作為獲取電磁安全性數(shù)據(jù)、預(yù)報天線布局方案可行性以及指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計的重要手段，對于有針對性地確定效費(fèi)比最佳的圍殼天線布局和優(yōu)化設(shè)計方案具有重要的意義。

20世紀(jì)末，美國洛氏國際海試科學(xué)中心提出了潛艇電磁兼容系統(tǒng)工程方案，在這個方案中首先提出了采用計算機(jī)技術(shù)對潛艇進(jìn)行電磁設(shè)計。美國海上系統(tǒng)司令部干舷設(shè)計小組也為美海軍潛艇綜合電磁設(shè)計開發(fā)了一些軟件系統(tǒng)，建立了許多潛艇電磁環(huán)境分析的計算機(jī)模型。美海軍海上系統(tǒng)司令部同海軍指揮、控制和海洋監(jiān)測中心試制部以及洛氏國際公司一起研制開發(fā)了二維和三維科學(xué)數(shù)據(jù)顯象工具，利用這些計算機(jī)圖形顯象技術(shù)幫助潛艇設(shè)計者進(jìn)行直觀的優(yōu)化設(shè)計。

1 建模及計算方法

本文參考Suboff潛艇進(jìn)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(xiàng)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(jié)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(yōu)點(diǎn)是采用面剖分的方法，求解物體表面的感應(yīng)電流；不需要設(shè)置邊界條件，不需要對全部計算空間進(jìn)行體剖分；不存在數(shù)值色散誤差；適合處理弱非均勻性目標(biāo)。1982年，S.M.Rao，D.R.Wilton和A.W.Glisson提出的RWG基函數(shù)極大地推動了矩量法（MoM）的發(fā)展。RWG基函數(shù)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(wǎng)格，可以對任意形狀目標(biāo)進(jìn)行剖分，是目前應(yīng)用最多的一種基函數(shù)。為了加快算法的計算效率，提出了高階基函數(shù)和曲面基函數(shù)等。Lu，Song和Chew提出了MLFMA，使計算效率大大提高，計算機(jī)內(nèi)存需求和計算時間降至O(NlogN)。在此基礎(chǔ)上，Chew與Cui引入快速遠(yuǎn)場近似和射線傳播技術(shù)，使MLFMA的計算效率進(jìn)一步提高。

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

根據(jù)導(dǎo)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(yùn)用伽略金法，得到下面的矩陣方程：

2 仿真

計算時網(wǎng)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(fā)射時，艇體表面電流分布仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 網(wǎng)格剖分模型Fig.2 Mesh splitting model

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

設(shè)置無窮大導(dǎo)電平面模擬海水，半潛狀態(tài)下輻射方向圖仿真結(jié)果如圖4所示。

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

半潛狀態(tài)下圍殼上單極短波天線發(fā)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(fā)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(jié)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(fā)射時輻射場強(qiáng)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(chǔ)上，模擬了潛艇不同下潛狀態(tài)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(yuǎn)場和近場數(shù)值以更加直觀的顏色區(qū)分加以體現(xiàn)，可為潛艇電磁兼容性設(shè)計提供支撐。

建立如圖8所示坐標(biāo)系，設(shè)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(fù)向，短波天線位置為原點(diǎn)。

圖8 潛艇模型坐標(biāo)軸模型Fig.8 Submarine model coordinate axis model

依據(jù)潛艇模型不同潛態(tài)的仿真結(jié)果[7]，可得電場強(qiáng)度分布曲線圖如圖9所示。

圖9 短波天線輻射x軸電場強(qiáng)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(qiáng)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(cè)對稱各有一個反向峰值。仿真結(jié)果表明輻射感應(yīng)電場具有明顯的空間分布特性，且艇體周圍區(qū)域輻射電場具有一定的規(guī)律性，本文僅試驗(yàn)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(dá)天線間的散射、繞射、諧振和耦合現(xiàn)象也會影響最終的電場分布結(jié)果。本文仿真分析結(jié)果與其他文獻(xiàn)提供的實(shí)測結(jié)果[8]相比較，具有較好的一致性。

4 結(jié) 語

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