水面艦船通信天線集成研究

周 洋，彭維雪

(1.海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室，上海201913;2.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064)

0 引 言

隨著電子信息系統(tǒng)在現(xiàn)代海戰(zhàn)中發(fā)揮著越來越重要的作用，雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信等各種電子系統(tǒng)在艦船上得到了廣泛應(yīng)用，艦上的天線種類越來越多［1］。各種信息系統(tǒng)的天線布置在上層建筑的狹小空間里，使艦船上層建筑的擁擠程度幾乎到了極限，而且這些天線相互干擾，產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁兼容問題［2］。艦載武器系統(tǒng)和電子信息系統(tǒng)隨著戰(zhàn)爭需要還會日益增加，電磁兼容問題日趨嚴(yán)峻。大量的天線和高聳的桅桿既妨礙艦船視覺美觀和電磁隱身，也不利于艦船提高航行速度和靈活機(jī)動運(yùn)行。

目前集成化上層建筑或集成桅桿設(shè)計是解決以上問題的最好方法，而其中最關(guān)鍵的技術(shù)則是以天線集成為主要內(nèi)容的各種射頻系統(tǒng)綜合集成設(shè)計技術(shù)。目前艦船一半以上的天線與通信系統(tǒng)，因此對通信天線集成的研究也是集成上層建筑技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一步。

1 國外研究發(fā)展情況

西方首先提出了艦載射頻集成概念，分別采用射頻封裝、射頻一體化、射頻綜合(后兩者通稱為共形集成)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)包括雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)等在內(nèi)的多種艦載射頻功能集成，進(jìn)一步提高艦船兼容性能，最大限度改進(jìn)艦船隱身性能，提升艦船整體作戰(zhàn)能力。射頻一體化的核心是天線集成技術(shù)，即獨(dú)立天線向聯(lián)合天線、多功能孔徑天線方向發(fā)展［3］。天線的形式和種類由單一頻段、單一功能向多頻段、多波束、多功能轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)天線孔徑共用、天線集成、天線與上層建筑共形設(shè)計和集成。

天線集成技術(shù)是將多種天線集成化、平面化，將天線嵌入、集成到上層建筑中，簡化天線布局和兼容問題，提高電磁系統(tǒng)性能和作戰(zhàn)性能的技術(shù)［4］。美、英、德、荷蘭、法、瑞典等都已相繼開發(fā)出自己的多功能封閉式桅桿，以集成不同系統(tǒng)、相近頻段的各種天線，并與船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計［5-7］。

歐洲泰利斯(Thales)公司開發(fā)的集成通信天線系統(tǒng) ICAS (Integrated Communication Antenna System)如圖1所示。該系統(tǒng)覆蓋頻率范圍較廣，采用模塊化、開放式體系架構(gòu)，能夠隨著科技和海軍需求的變化而升級，裝備在艦船上隱身性能良好。支持VHF 108～174 MHz、UHF 225～400 MHz、16 鏈路RX 960～1215 MHz、通用ESM 800～2000 MHz、GSM/UMTS 850～2200 MHz、銥星1616～1626.5 MHz、Wimax 4.4～5.0 GHz通信。主要集成了對海VHF、UHF通信、對空VHF/UHF通信、11 鏈路和22 鏈路的UHF 部分(共用UHF通信通道)、自動識別系統(tǒng)(AIS)與國際海上移動通信(共用VHF通信通道)、16 鏈路RX (TX 任選)、通用移動電信系統(tǒng)(GSM/UMTS)電話、銥星(lridium)、微波存取全球互通 (Wimax)、支持測向、支持ESM通信等。

圖1 Thales 公司的集成通信天線系統(tǒng)(ICAS)Fig.1 Integrated communication antenna system (ICAS)

法國多錐體封閉式復(fù)合結(jié)構(gòu)桅桿新型水面艦船“劍”(見圖2)，采用模塊化三面體設(shè)計，干舷內(nèi)傾，整個艦體和低矮的上層建筑交接處平滑過渡，避免任何垂直平面、垂直圓柱面和角反射體，其雷達(dá)和天線都集成到封閉式桅桿類的多錐體復(fù)合結(jié)構(gòu)中，隱形性能良好，艦體能與海上背景環(huán)境融為一體，雷達(dá)反射截面積極低。天線以平面相控陣形式嵌入上層建筑，例如高頻超視距雷達(dá)天線陣列嵌入了上層建筑最頂端的面板中。上層建筑上的封閉式桅桿則集成了衛(wèi)星天線、S 波段雷達(dá)、X 波段雷達(dá)、V/UHF通信天線等天線?！皠Α钡呐烍w和部分組件還大量使用新型復(fù)合材料，可有效減少雷達(dá)信號。

圖2 法國多錐體封閉式復(fù)合結(jié)構(gòu)桅桿艦船—— “劍”Fig.2 Multi cone closed composite mast of French ship-Sword

美國陸續(xù)研制了先進(jìn)封閉式桅桿/傳感器系統(tǒng)(AEM/S)、多功能電磁輻射系統(tǒng)(MERS)、先進(jìn)多功能射頻系統(tǒng)(AMRFS)等，把多幅不同頻段的天線合成一副天線系統(tǒng)，以便安裝到封閉桅桿上。與此同時，美國也大力研究天線陣面化。DDG1000 驅(qū)逐艦是以上研究成果具體應(yīng)用的優(yōu)秀代表。該艦上層建筑(見圖3)采用了具有低雷達(dá)波和紅外輻射特征信號的全復(fù)合材料，外板嵌入了各種頻段的相控陣天線與上層建筑一體化設(shè)計，采用頻率選擇材料(FSS)天線罩，僅限于特定的電磁信號通過，大大減小了雷達(dá)反射面積，提高了隱身性，減輕了上層建筑重量，也比較好的解決了電磁兼容問題。

艦船頂部的多功能集成桅桿只有不到4 m 高，集成了敵我識別(IFF)、V/UHF 超短波、LINK 11 及LINK 22數(shù)據(jù)鏈、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分配系統(tǒng)(JTIDS)、增強(qiáng)定位報告系統(tǒng)(EPLRS)等天線，采用收發(fā)分離、垂直隔離的天線陣，實(shí)現(xiàn)多功能同時工作所需的收發(fā)隔離性能，并用寬帶天線實(shí)現(xiàn)寬帶通信和電子戰(zhàn)的需求，能提供高達(dá)23 路射頻信道，減少了桅桿上的天線數(shù)量。

圖3 DDG1000 集成化上層建筑示意圖Fig.3 Schematic diagram of DDG1000 integrated superstructure

2 通信天線集成發(fā)展思路

未來艦船通信天線的發(fā)展思路是從獨(dú)立天線到模塊化集成天線，并與桅桿或上層建筑進(jìn)行共形設(shè)計?；A(chǔ)技術(shù)發(fā)展方面，寬帶射頻電路技術(shù)、多頻段/多波束寬帶天線技術(shù)、射頻電路和艦載天線共用技術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)通信天線射頻前端集成化。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件無線電技術(shù)、一體化硬件和軟件平臺設(shè)計技術(shù)、電子設(shè)備模塊化技術(shù)等，可以支撐艦艇通信天線實(shí)現(xiàn)一體化集成。

由于艦船通信系統(tǒng)使用的無線頻譜范圍較寬，需要針對不同類型、頻段天線采用不同技術(shù)和措施，實(shí)現(xiàn)通信天線的集成。

1)短波、中波

短波、中波主要實(shí)現(xiàn)艦船的中遠(yuǎn)距離通信，傳統(tǒng)的艦船短波天線一般為鞭狀或扇形，中波天線一般為鞭狀，天線高度高，尺寸大，集成設(shè)計難度大，造成艦船的雷達(dá)反射截面積大，隱身性差。對中、短波天線集成設(shè)計，可通過天線小型化，研究寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)從而降低短波天線高度。也可通過短波寬帶加載鞭天線方式集成中波、短波天線;或者研究中、短波天線與艦船上層建筑共形，通過利用上層建筑四角組陣完成全方位接收覆蓋，達(dá)到降低雷達(dá)反射截面積、增強(qiáng)隱身性的目的。同時為了減少艦載短波信道及天線數(shù)量也可以組網(wǎng)通信方式替代傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)通信方式，加強(qiáng)短波通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

2)超短波、微波

超短波通信主要實(shí)現(xiàn)艦船的視距通信，微波通信主要應(yīng)用于微波高速數(shù)據(jù)傳輸。超短波、微波天線集成的相關(guān)研究國內(nèi)外目前開展的也最廣泛。通過采用先進(jìn)的集成化和模塊化理念，將超短波、微波頻段多種類型天線進(jìn)行集成設(shè)計，利用陣列或平面陣天線、選擇合適的頻選材料作天線罩，實(shí)現(xiàn)與桅桿或上層建筑共形，從而減少獨(dú)立天線數(shù)量，降低天線對艦船布置空間要求，保證美觀性和隱身性。研究發(fā)展天線合路技術(shù)，使艦上多部電臺使用公共的天饋系統(tǒng)進(jìn)行工作，在不影響系統(tǒng)正常通信的前提下，進(jìn)一步減少艦面天線數(shù)量，便于天線集成，并有效緩解傳統(tǒng)艦載通信系統(tǒng)存在的多臺共址電磁干擾問題。多個射頻收發(fā)設(shè)備共用天線孔徑，可使通信設(shè)備與相近頻段其他系統(tǒng)設(shè)備充分發(fā)揮性能，避免由于電磁兼容性而采用的使用控制措施。

大力發(fā)展超短波、微波天線陣面化。由于平面陣天線安裝在上層建筑外壁時，天線方向圖無法做到水平面全向覆蓋。為保證水平面全向覆蓋，必須在艦船上層建筑的不同部位安裝多個天線，并合理控制各天線單元的饋電幅度和相位，使得在考慮艦船結(jié)構(gòu)條件下，多個天線同時工作時合成的水平面方向圖保持全向，并且在天線饋電網(wǎng)絡(luò)中對各天線單元的損耗進(jìn)行補(bǔ)償。

也可考慮短波與超短波天線集成，采用中饋天線、套筒天線等原理，選取合適的磁環(huán)、匹配網(wǎng)絡(luò)形式，使天線的阻抗帶寬和增益達(dá)到合理的平衡設(shè)計;選擇合理尺寸和饋電方式，實(shí)現(xiàn)天線的寬帶設(shè)計，使一付天線兼顧短波與超短波頻段。

3)衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信可保障艦船遠(yuǎn)距離、大容量綜合業(yè)務(wù)的可靠傳輸。衛(wèi)星通信天線以大尺寸的拋物面天線形式存在，對艦船上層建筑雷達(dá)波隱身性設(shè)計影響較大，可考慮通過透波材料將天線進(jìn)行遮蔽設(shè)計，使設(shè)備內(nèi)嵌于船體，并與船體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計;也可通過天線陣面化達(dá)到與船體上層建筑一體化共形設(shè)計，從而達(dá)到控制雷達(dá)波隱身截面積(RCS)的目的。同時也可將不同頻段衛(wèi)通天線功能集成到一副天線上，減少艦面天線數(shù)量。

3 艦船一體化上層建筑設(shè)計中天線集成形成

目前天線的集成形式主要有集成上層建筑或集成桅桿，應(yīng)根據(jù)通信天線的情況確定采用哪種集成方式，并根據(jù)天線安裝位置處艦體外形結(jié)構(gòu)和安裝空間大小，設(shè)計合適的陣列或陣面天線及其匹配電路。按功能需求，恰當(dāng)?shù)剡x擇射頻口徑的形狀和高度，避免天線方向圖覆蓋非輻射功能區(qū)而造成設(shè)備間干擾，應(yīng)盡量提高其帶外抑制度，避免靜噪、雜散、諧波干擾。在天線各單元安裝位置確定的條件下，確定輸入/輸出端口到各天線單元的電纜長度，根據(jù)所需電纜的類型確定各電纜的損耗。在饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，需對各段電纜的損耗進(jìn)行補(bǔ)償。

天線集成結(jié)構(gòu)及外形設(shè)計應(yīng)能滿足與桅、上層建筑共形適裝的要求，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度總振動的要求。其重量和外形尺寸應(yīng)盡量小，并且在桅壁、上層建筑的開口應(yīng)盡量少、開口尺寸不應(yīng)太大，開口處宜以不斷強(qiáng)骨架為原則，并應(yīng)遮蔽處理，避免腔體散射。

天線集成后應(yīng)具有較好的光電紅外和雷達(dá)波隱身性能，其自身的RCS 應(yīng)盡量地小。結(jié)合總體設(shè)計要求采用雷達(dá)波隱身外形，對于無法通過外形隱身設(shè)計達(dá)到隱身要求的強(qiáng)散射源部位應(yīng)采用隱身材料，相關(guān)部位合理應(yīng)用隱身非金屬復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)吸波材料和透波涂料。這些材料應(yīng)具有質(zhì)輕、吸/透波性能好、機(jī)械性能好、耐海洋環(huán)境、防腐防漏等性能。

天線集成設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一是天線罩技術(shù)。天線罩要滿足電性能和結(jié)構(gòu)性能要求。選擇合適的屏蔽材料、吸波材料等特殊材料實(shí)現(xiàn)隔離，抑制耦合通道;采用絕緣材料和頻率選擇性材料等特殊材料構(gòu)造集成天線的殼體和天線罩，抑制表面波耦合帶來的影響。減少非工作頻段散射，提高隱身性能，并針對天線罩進(jìn)行外形整形處理，使之與船體一體化。天線及天線罩安裝時，需進(jìn)行邊緣電連續(xù)性處理，以及連接螺栓的隱身化處理。在天線與上層建筑共形連接處，盡量采用同類金屬搭接，并在搭接處采取防潮和防其他腐蝕的保護(hù)措施。

天線集成的性能與艦載環(huán)境密切相關(guān)，特別是天線組陣后的方向圖必須結(jié)合艦船環(huán)境才有意義?？筛鶕?jù)實(shí)測結(jié)果確定每個天線的性能參數(shù)及安裝參數(shù)，為后期天線上艦提供參考。

4 結(jié) 語

艦船是一個空間受限的海上移動平臺，總體上的電磁兼容性和隱身性成為傳統(tǒng)艦艇難題。通過天線集成技術(shù)，減少艦艇電子信息系統(tǒng)尤其是通信系統(tǒng)天線種類和數(shù)量問題，是解決艦艇整體隱身性和電磁兼容性，實(shí)現(xiàn)新一代綜合性能最優(yōu)先進(jìn)艦船的一個重要技術(shù)支撐。歐美發(fā)達(dá)國家在以天線集成為基礎(chǔ)的艦船綜合射頻集成方面已取得了長足發(fā)展，研究成果已在新型艦船上裝備。我國目前也已開始相關(guān)技術(shù)的研究，但在技術(shù)研究的廣度和深度，取得的實(shí)質(zhì)性研究成果方面都存在差距，應(yīng)結(jié)合作戰(zhàn)使用需求，大力發(fā)展以集成桅桿和集成上層建筑為代表的一體化綜合射頻集成，推進(jìn)海軍信息化建設(shè)。

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