舰载通信天线集成发展分析*

栾厚斌 陈 曦

(1.大连造船厂军代室 大连 123456)(2.中国舰船研究设计中心 武汉 430064)

舰载通信天线集成发展分析*

栾厚斌1陈 曦2

(1.大连造船厂军代室 大连 123456)(2.中国舰船研究设计中心 武汉 430064)

通过介绍国外先进舰载射频集成的特点,研究分析舰载通信天线集成的发展趋势与特点;从舰船总体时域、空域、频域、功率等资源匹配的角度出发,优化天线口径,选择合适的集成方式,解决水面舰船天线拥挤、电磁兼容性和隐身性差的问题,从而有效提升水面舰船的作战能力。

通信天线; 射频集成; 电磁兼容

Class Number TN821

1 引言

现代战争中,海军舰船已经由传统的海上火力支撑发展为集海空陆天四位一体的探测和攻击平台。而目前我海军水面舰船上的通信系统天线林立,严重影响舰船的隐身性和电磁兼容性。为了适应现代战争的需求,需要把众多单一独立的通信天线系统进行射频集成总体设计,实现资源共享、统一调度;解决水面舰船天线拥挤、电磁兼容性和隐身性差的问题,从而有效提升水面舰船的作战能力。

2 国外舰载射频集成发展现状

2.1 舰载射频集成的方式类别

进行射频集成设计,必须要求相关电子设备的工作频率相同或相近,使天线孔径能够共用。其核心是集成天线技术,即由独立单一的天线向多功能孔径天线、联合天线方向发展。国外许多国家都在此方面加强研究,并在很多领域都进入了应用阶段。国外水面舰船的通信射频集成发展主要分为集成桅杆和集成上层建筑两个方向[1]。

集成桅杆是将相关电子设备的通信天线集成或独立封装在特制的桅杆内,并覆盖有频率选择复合材料。如美国AEM/S先进封闭式桅杆传感器系统,将V/UHF超短波通信、敌我识别、联合战术信息系统等天线封装在桅杆内。

集成上层建筑是将射频集成为平面相控阵天线,并镶嵌在上层建筑壁上,与上层建筑结构共形于一体。如美国DDG1000新型驱逐舰装备固定四面阵天线的多功能相控阵雷达,采用先进多功能射频系统(AMRFS),将雷达、电子战、通信等设备按照频率相同或相近进行射频集成[2]。采用上层建筑射频综合集成不仅改善舰的隐身性和电磁兼容性,还便于对各种资源统一管理,有利于多设备功能的联合使用。

2.2 美国海军研究现状

20世纪90年代,美国海军便开展了一系列射频集成的研究计划,包括全封闭桅杆/探测器系统(AEM/S)、电磁辐射系统(MERS)、隐形桅杆(LMS)和多功能射频系统(AMRFS)等。

全封闭桅杆/探测器系统(AEM/S)采用了多种复合材料研制而成[3]。天线装置安装在内部,上半部覆盖频率选择材料,可以让特定的周波数穿过,使RCS减小。与传统桅杆相比,AEM/S不仅重量轻,而且安装在其内部的天线装置保养工作量也少了很多。桅杆上半部的六角形锥体内安装了MK25型和SPS-40型雷达天线,下半部安装了波导管。V/UHF综合通信天线,敌我识别器天线、战术导航雷达天线安装在桅杆顶端。2001年底,美海军对AEM/S进行了改进。在其内部加装了IN-MARSAT卫星通信天线和ROS火控电视跟踪摄像头。

多功能电磁辐射系统(MERS)主要为整合了四种探测和通信系统的天线,包括作战知识系统、V/UHF接收器、敌我识别器、联合战术信息分发系统(JTIDS)和UHF通信系统。

多功能隐形桅杆(LMS)主要用于研究水面舰船加装多功能卫星通信阵列天线。LMS采用了UHF/L波段的相控阵天线系统,并以此为基础研制了综合上层建筑验证系统,用于参与美海军新型DDG21驱逐舰上层建筑的设计研发。

多功能射频系统(AMRFS)主要研究实现雷达、通信和电子战天线装置的一体化,其核心是通过计算机软件的控制射频设备根据实际需求,只适应选择相对应的阵列天线,从而实现多种电子设备天线装置的一体化。美国DDG1000新型驱逐舰采用了该系统,按照频率高低自上而下布置在上层建筑侧壁上。最上面一层是毫米波波段卫星通信/电子战/定位报告系统。下一层是多功能X波段有源相控阵雷达(MFR)/电子战(2GHz～18GHz)/协同作战(CEC)/卫星通信。再下一层是L波段雷达/电子战/海事卫星。底层是UHF卫星通信/电子战[4]。如图1所示。

图1 美海军DDG1000效果示意图

2.3 英国海军先进技术桅杆(ATM)

90年代初期,英国海军开始实施先进技术桅杆(ATM)研究计划[5],并在2005年成功地将其应用与“皇家方舟”号航空母舰。

英国海军最早把这种桅杆命名为一体化技术桅杆(ITM)。它是一个八角形锥体,表明覆盖了雷达吸波材料,内部安装各种探测器和通信天线。在天线装置所对应的桅杆表面同样采用了频率选择材料(FFS),只允许特定频率范围的电磁波通过,防止它们之间与外部的电磁干扰。

在此之后,英国海军进行了一系列的改进,并命名为先进技术桅杆(ATM)。ATM采用了钢材作为内部支架,以增加桅杆的负载力。其内部采用了多层结构,以满足可安装多种天线装置的要求。每层采用了复合材料作隔板。这种隔板可以灵活拆卸,强度高,也可以防止天线装置间的干扰。整个桅杆采用了水循环冷却系统,以降低红外辐射[6]。

2.4 德国集成多探测器桅杆(IMSEM)

作为德国海军未来F125级护卫舰的概念设计舰,FDZ-2020计划是德国面向21世纪海上作战需求而做的项目计划。FDZ-2020采用了集成式全封闭式桅杆或称为“集成多探测器桅杆”(IMSEM)。该型桅杆为一金字塔形封闭式桅,塔顶为一个较小的圆球,即红外、激光、雷达告警接受器,接收器下方为通信天线系统阵,下层依次布置六边棱形综合天线,X波段“阿伯”相控阵雷达及数据链,桅杆的颈线位布置C波段平面列阵雷达天线,主桅杆下段布置S或L波段的平面阵列雷达天线,使整个桅杆容纳各种对空、对海搜索雷达、导航雷达、火控雷达、空中管制雷达天线以及各式通信、数据传输、电子对抗天线和红外、激光、雷达告警接收天线。进一步实现了将全舰探测、通信系统有机整合的“孔径集成”[7]。将传统布局散落于舰体各处的探测器、天线集中起来,即降低了雷达反射截面积,又比较好地解决了电磁兼容问题。如图2所示。

图2 德海军F125级护卫舰效果示意图

3 舰载通信天线集成分析

3.1 射频功能资源分析

从上述国外舰船射频集成的研究发展现状可以看出,现代舰船射频功能需求与雷达隐身性要求比较高,需总体从时域、空域、频域、功率等资源优化的角度出发,优化阵面口径,提高电磁兼容性和雷达波隐身性,从而促进提高整体的战斗性能。

进行通信总体射频集成设计时,需研究全舰时域、空域、频域、功率、阵面资源的匹配性,形成综合射频集成方案。其研究思路是首先给出射频功能实现所需总体资源的计算分析方法。然后,分析当前舰载射频集成设备对总体资源的占用情况,以及通过采用新技术降低资源消耗的可能性。最后,依此基于射频功能实现、电磁兼容性以及总体资源优化的需求,优化射频口径,提高射频集成程度。其中,射频功能资源主要包含以下几个方面:

1) 频域资源:主要包含工作频段和信号带宽两方面。工作频段范围越大,工作频点选择余地越大,利于抵抗外来干扰并提高性能。舰上通信设备通常采用频率捷变的方式,在工作频段范围内的多个频点工作,以提高探测概率,并抵抗来自敌方的电子干扰。信号带宽越大,携带的信息量越多,设备可实现的能力越强。通信设备可通过增大信号带宽提高通信信道的物理带宽。

2) 时域资源:主要包含工作时机和信号使用时间两方面。射频设备工作的时机根据作战使用的需求各不相同。通信设备需根据实时需求进行工作。信号使用时间具体为信号的形式和数据率需求。雷达信号一般为脉冲信号,在时域上是离散;通信信号则通常为连续信号,在一个信号发射周期内是连续的[8]。数据率为单位时间内信号发射的次数,是数据更新的快慢表征,具体为雷达航迹的更新率、通信时延等。

3) 空域资源:主要包含天线布置和波束覆盖两方面。天线布置体现在天线的口径和布置的位置。天线的口径决定了天线波束宽度,天线口径越大,波束宽度越窄,增益越高。通信天线一般要求波束宽度较大,以满足大空域的通信覆盖需求。天线的布置需考虑架高和被遮挡情况。天线的架高决定了其工作的视界,架设越高视距越大,直接影响舰船间的通信距离[9]。天线的被遮挡情况则决定了天线有效工作的空间范围,一般需结合天线的工作需求和舰面设备布置条件,通过布置多部天线进行补盲。天线的波束覆盖范围直接决定了射频设备的能力,一般多要求全方位覆盖。

4) 功率资源:射频对总体的功率需求主要包含供电和冷却两个方面。为了满足辐射信号的强度要求,射频天线需具备足够的发射功率,对总体供电功率有一定的要求。大型天线热损耗较大,一般需要总体提供足够的冷却资源。

3.2 通信天线集成特性

通信本质上是一个传输过程。舰载通信从功能上可分为战术通信、数据链通信以及卫星通信。通信的主要技术指标包括通信距离和范围、传输数率及误码率。通信距离的能力取决于发射功率和通信对方的接收灵敏度,并受限于视距要求。同时,对于利用电离层反射进行超视距传播的通信信号,还需考虑发射损耗和传输路程增大造成的损耗。

通信功能的频域资源需求与其功能使用有关。战术通信由于传输距离需求,一般选取短波或超短波段。数据链通信由于数据传输对带宽的需求,一般选取频段较高的微波频段。而卫星通信的频段则需与卫星系统相一致。通信功能的时域资源需求在宏观上取决与使用需求具有随机性,微观上取决于数据传输率和需传输的数据量[10]。通信功能的空域和功率资源需求则主要取决与通信需覆盖的范围,以及远距离传输通信信号强度需求。

进行天线集成的相关舰载通信系统,其射频上均具备若干相同或相近的特性,主要包括以下几个方面:

1) 工作频段较宽,系统间工作频率相同或接近。较宽的工作频段满足了目前海军舰船上许多不同的射频功能要求,从而提高了射频集成系统的整体效益,较为接近的系统工作频率易于实现天线单元的排列布阵,降低单元互耦对天线方向图的影响。

2) 采用多功能相控阵天线,适用各种需求。相控阵天线尤其是平面相控阵天线通过灵活的波束控制能够实现大多数系统的方向图,是所有射频一体化系统的优先选择。波束控制灵活最根本的好处在于系统能根据舰载设备的战术操作需求,调整设备的功能。不仅可在指定的时间将工作中的射频功能进行特定的组合,而且能根据需要对这些射频功能的参数进行配置(如所需的发射孔径尺寸、辐射功率电平、接收孔径尺寸、瞬间带宽、波形类型等)。这样,多功能射频系统可通过正确地分配其资源,快速满足一组功能。

3) 系统具有良好的电磁兼容性。为了满足战术需求,有时需要多个系统同时工作,同一时间将产生多个发射波束和多个接收波束。而射频集成在一起的系统,可以采取多种技术手段,如收发阵面分离、频分或时分复用技术等,形成多个波束,保证系统间不会因相互干扰造成性能下降[11]。

3.3 通信天线集成方式

应根据通信设备天线的情况确定采用合适的方式进行射频综合集成[1]。其中应该主要考虑以下几个方面的内容:

1) 平面相控阵天线可通过灵活的波束控制实现设备需要的方向图,是射频集成的最佳选择。可采取集成上层建筑方式以四面阵等形式布置在上层建筑壁上,满足360°全方向扫描。

2) 机械扫描雷达天线(含单面双面相控阵旋转天线)、独立和集成的线状天线可采取集成桅杆方式封装在集成桅杆内。

3) 同一艘舰船上可同时采用集成上层建筑和集成桅杆布置相应的天线。

4) 个别天线方向图要求特殊的设备较难进行射频集成,如“塔康”天线等可单独安装。

5) 天线简单、尺寸小而不需要集成,以免增加集成的复杂度。

6) 由于系统体制原因需要单独工作,以免占据时间较长影响本系统或其它系统正常工作。

为了减小电磁危害、实现电磁兼容,天线集成需严格控制单个电子、电气设备的电磁发射和敏感度指标,并综合考虑系统设计、舰船设计、安装工艺、使用等环节[2]。既需从空间距离、相对位置方面考虑天线的安装,保证相互间有效的隔离度,也需从技术手段方面采取旁般对消、匿影等措施减小干扰带来的影响,否则将影响系统的正常工作、系统的可靠性、信息的置信度,甚至危害设备的安全。

4 结语

舰载通信天线综合集成能较好地解决水面舰船天线拥挤、电磁兼容性差和隐身性不佳等问题,从而提升舰艇的作战能力,是国内外水面舰船发展的必然趋势。通过上述分析可知,舰载通信电子设备除了塔康天线方向图需求特殊,目前适宜单独安装之外,其余设备都应该集成为一个射频一体化的信息系统,实现资源综合利用并统一调度。欧美国家已经从相关试验研究阶段发展到应用研究阶段,并陆续有相关的研制设备装舰服役。

从目前国外的发展趋势来看,舰载射频综合集主要分为两大类:一是集成上层建筑方面,主要有美国的多功能电磁辐射系统(MERS)和多功能射频系统(AMRFS)等。发展多功能平面相控阵天线技术,与上层建筑共形与一体,是射频综合集成的最佳选择,但是技术难度复杂,实现成本较高。二是集成桅杆方面,主要有美国的全封闭桅杆/探测器系统(AEM/S)和英国的先进技术桅杆(ATM)等将需机械扫描雷达天线(含单面双面相控阵旋转天线)、独立和集成的线状天线可采取集成桅杆方式封装在集成桅杆内并覆盖频率选择材料(FFS)和雷达吸波材料等有效的解决了电磁兼容和雷达隐身的问题,比较易于实现,但是集成桅杆内部有限空间的多种天线并存,带来了复杂的电磁兼容问题。舰载通信天线集成的设计需研究全舰时域、空域、频域、功率、阵面资源的匹配性,选择比较适宜的集成方式,最终形成具体的天线集成方案。

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[11] 吴楠,宋东安,郑生全.舰船射频综合系统的电磁兼容分析[J].舰船科学技术,2007,29(6):101-103.

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

栾厚斌,男,工程师,研究方向:无线通信技术。陈曦,男,助理工程师,研究方向:无线通信技术。

TN821

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.003