水面舰船通信天线集成研究

周 洋，彭维雪

(1.海军驻上海江南造船(集团)有限责任公司军事代表室，上海201913;2.中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064)

0 引 言

随着电子信息系统在现代海战中发挥着越来越重要的作用，雷达、电子战、通信等各种电子系统在舰船上得到了广泛应用，舰上的天线种类越来越多［1］。各种信息系统的天线布置在上层建筑的狭小空间里，使舰船上层建筑的拥挤程度几乎到了极限，而且这些天线相互干扰，产生严重的电磁兼容问题［2］。舰载武器系统和电子信息系统随着战争需要还会日益增加，电磁兼容问题日趋严峻。大量的天线和高耸的桅杆既妨碍舰船视觉美观和电磁隐身，也不利于舰船提高航行速度和灵活机动运行。

目前集成化上层建筑或集成桅杆设计是解决以上问题的最好方法，而其中最关键的技术则是以天线集成为主要内容的各种射频系统综合集成设计技术。目前舰船一半以上的天线与通信系统，因此对通信天线集成的研究也是集成上层建筑技术发展的关键一步。

1 国外研究发展情况

西方首先提出了舰载射频集成概念，分别采用射频封装、射频一体化、射频综合(后两者通称为共形集成)技术，实现包括雷达、通信和电子战等在内的多种舰载射频功能集成，进一步提高舰船兼容性能，最大限度改进舰船隐身性能，提升舰船整体作战能力。射频一体化的核心是天线集成技术，即独立天线向联合天线、多功能孔径天线方向发展［3］。天线的形式和种类由单一频段、单一功能向多频段、多波束、多功能转变，实现天线孔径共用、天线集成、天线与上层建筑共形设计和集成。

天线集成技术是将多种天线集成化、平面化，将天线嵌入、集成到上层建筑中，简化天线布局和兼容问题，提高电磁系统性能和作战性能的技术［4］。美、英、德、荷兰、法、瑞典等都已相继开发出自己的多功能封闭式桅杆，以集成不同系统、相近频段的各种天线，并与船体结构进行一体化设计［5-7］。

欧洲泰利斯(Thales)公司开发的集成通信天线系统 ICAS (Integrated Communication Antenna System)如图1所示。该系统覆盖频率范围较广，采用模块化、开放式体系架构，能够随着科技和海军需求的变化而升级，装备在舰船上隐身性能良好。支持VHF 108～174 MHz、UHF 225～400 MHz、16 链路RX 960～1215 MHz、通用ESM 800～2000 MHz、GSM/UMTS 850～2200 MHz、铱星1616～1626.5 MHz、Wimax 4.4～5.0 GHz通信。主要集成了对海VHF、UHF通信、对空VHF/UHF通信、11 链路和22 链路的UHF 部分(共用UHF通信通道)、自动识别系统(AIS)与国际海上移动通信(共用VHF通信通道)、16 链路RX (TX 任选)、通用移动电信系统(GSM/UMTS)电话、铱星(lridium)、微波存取全球互通 (Wimax)、支持测向、支持ESM通信等。

图1 Thales 公司的集成通信天线系统(ICAS)Fig.1 Integrated communication antenna system (ICAS)

法国多锥体封闭式复合结构桅杆新型水面舰船“剑”(见图2)，采用模块化三面体设计，干舷内倾，整个舰体和低矮的上层建筑交接处平滑过渡，避免任何垂直平面、垂直圆柱面和角反射体，其雷达和天线都集成到封闭式桅杆类的多锥体复合结构中，隐形性能良好，舰体能与海上背景环境融为一体，雷达反射截面积极低。天线以平面相控阵形式嵌入上层建筑，例如高频超视距雷达天线阵列嵌入了上层建筑最顶端的面板中。上层建筑上的封闭式桅杆则集成了卫星天线、S 波段雷达、X 波段雷达、V/UHF通信天线等天线。“剑”的舰体和部分组件还大量使用新型复合材料，可有效减少雷达信号。

图2 法国多锥体封闭式复合结构桅杆舰船—— “剑”Fig.2 Multi cone closed composite mast of French ship-Sword

美国陆续研制了先进封闭式桅杆/传感器系统(AEM/S)、多功能电磁辐射系统(MERS)、先进多功能射频系统(AMRFS)等，把多幅不同频段的天线合成一副天线系统，以便安装到封闭桅杆上。与此同时，美国也大力研究天线阵面化。DDG1000 驱逐舰是以上研究成果具体应用的优秀代表。该舰上层建筑(见图3)采用了具有低雷达波和红外辐射特征信号的全复合材料，外板嵌入了各种频段的相控阵天线与上层建筑一体化设计，采用频率选择材料(FSS)天线罩，仅限于特定的电磁信号通过，大大减小了雷达反射面积，提高了隐身性，减轻了上层建筑重量，也比较好的解决了电磁兼容问题。

舰船顶部的多功能集成桅杆只有不到4 m 高，集成了敌我识别(IFF)、V/UHF 超短波、LINK 11 及LINK 22数据链、联合战术信息分配系统(JTIDS)、增强定位报告系统(EPLRS)等天线，采用收发分离、垂直隔离的天线阵，实现多功能同时工作所需的收发隔离性能，并用宽带天线实现宽带通信和电子战的需求，能提供高达23 路射频信道，减少了桅杆上的天线数量。

图3 DDG1000 集成化上层建筑示意图Fig.3 Schematic diagram of DDG1000 integrated superstructure

2 通信天线集成发展思路

未来舰船通信天线的发展思路是从独立天线到模块化集成天线，并与桅杆或上层建筑进行共形设计。基础技术发展方面，宽带射频电路技术、多频段/多波束宽带天线技术、射频电路和舰载天线共用技术等，可以实现通信天线射频前端集成化。网络技术、软件无线电技术、一体化硬件和软件平台设计技术、电子设备模块化技术等，可以支撑舰艇通信天线实现一体化集成。

由于舰船通信系统使用的无线频谱范围较宽，需要针对不同类型、频段天线采用不同技术和措施，实现通信天线的集成。

1)短波、中波

短波、中波主要实现舰船的中远距离通信，传统的舰船短波天线一般为鞭状或扇形，中波天线一般为鞭状，天线高度高，尺寸大，集成设计难度大，造成舰船的雷达反射截面积大，隐身性差。对中、短波天线集成设计，可通过天线小型化，研究宽带匹配网络从而降低短波天线高度。也可通过短波宽带加载鞭天线方式集成中波、短波天线;或者研究中、短波天线与舰船上层建筑共形，通过利用上层建筑四角组阵完成全方位接收覆盖，达到降低雷达反射截面积、增强隐身性的目的。同时为了减少舰载短波信道及天线数量也可以组网通信方式替代传统的点对点通信方式，加强短波通信网络的建设。

2)超短波、微波

超短波通信主要实现舰船的视距通信，微波通信主要应用于微波高速数据传输。超短波、微波天线集成的相关研究国内外目前开展的也最广泛。通过采用先进的集成化和模块化理念，将超短波、微波频段多种类型天线进行集成设计，利用阵列或平面阵天线、选择合适的频选材料作天线罩，实现与桅杆或上层建筑共形，从而减少独立天线数量，降低天线对舰船布置空间要求，保证美观性和隐身性。研究发展天线合路技术，使舰上多部电台使用公共的天馈系统进行工作，在不影响系统正常通信的前提下，进一步减少舰面天线数量，便于天线集成，并有效缓解传统舰载通信系统存在的多台共址电磁干扰问题。多个射频收发设备共用天线孔径，可使通信设备与相近频段其他系统设备充分发挥性能，避免由于电磁兼容性而采用的使用控制措施。

大力发展超短波、微波天线阵面化。由于平面阵天线安装在上层建筑外壁时，天线方向图无法做到水平面全向覆盖。为保证水平面全向覆盖，必须在舰船上层建筑的不同部位安装多个天线，并合理控制各天线单元的馈电幅度和相位，使得在考虑舰船结构条件下，多个天线同时工作时合成的水平面方向图保持全向，并且在天线馈电网络中对各天线单元的损耗进行补偿。

也可考虑短波与超短波天线集成，采用中馈天线、套筒天线等原理，选取合适的磁环、匹配网络形式，使天线的阻抗带宽和增益达到合理的平衡设计;选择合理尺寸和馈电方式，实现天线的宽带设计，使一付天线兼顾短波与超短波频段。

3)卫星通信

卫星通信可保障舰船远距离、大容量综合业务的可靠传输。卫星通信天线以大尺寸的抛物面天线形式存在，对舰船上层建筑雷达波隐身性设计影响较大，可考虑通过透波材料将天线进行遮蔽设计，使设备内嵌于船体，并与船体结构一体化设计;也可通过天线阵面化达到与船体上层建筑一体化共形设计，从而达到控制雷达波隐身截面积(RCS)的目的。同时也可将不同频段卫通天线功能集成到一副天线上，减少舰面天线数量。

3 舰船一体化上层建筑设计中天线集成形成

目前天线的集成形式主要有集成上层建筑或集成桅杆，应根据通信天线的情况确定采用哪种集成方式，并根据天线安装位置处舰体外形结构和安装空间大小，设计合适的阵列或阵面天线及其匹配电路。按功能需求，恰当地选择射频口径的形状和高度，避免天线方向图覆盖非辐射功能区而造成设备间干扰，应尽量提高其带外抑制度，避免静噪、杂散、谐波干扰。在天线各单元安装位置确定的条件下，确定输入/输出端口到各天线单元的电缆长度，根据所需电缆的类型确定各电缆的损耗。在馈电网络设计时，需对各段电缆的损耗进行补偿。

天线集成结构及外形设计应能满足与桅、上层建筑共形适装的要求，满足结构强度总振动的要求。其重量和外形尺寸应尽量小，并且在桅壁、上层建筑的开口应尽量少、开口尺寸不应太大，开口处宜以不断强骨架为原则，并应遮蔽处理，避免腔体散射。

天线集成后应具有较好的光电红外和雷达波隐身性能，其自身的RCS 应尽量地小。结合总体设计要求采用雷达波隐身外形，对于无法通过外形隐身设计达到隐身要求的强散射源部位应采用隐身材料，相关部位合理应用隐身非金属复合材料、结构吸波材料和透波涂料。这些材料应具有质轻、吸/透波性能好、机械性能好、耐海洋环境、防腐防漏等性能。

天线集成设计的关键技术之一是天线罩技术。天线罩要满足电性能和结构性能要求。选择合适的屏蔽材料、吸波材料等特殊材料实现隔离，抑制耦合通道;采用绝缘材料和频率选择性材料等特殊材料构造集成天线的壳体和天线罩，抑制表面波耦合带来的影响。减少非工作频段散射，提高隐身性能，并针对天线罩进行外形整形处理，使之与船体一体化。天线及天线罩安装时，需进行边缘电连续性处理，以及连接螺栓的隐身化处理。在天线与上层建筑共形连接处，尽量采用同类金属搭接，并在搭接处采取防潮和防其他腐蚀的保护措施。

天线集成的性能与舰载环境密切相关，特别是天线组阵后的方向图必须结合舰船环境才有意义。可根据实测结果确定每个天线的性能参数及安装参数，为后期天线上舰提供参考。

4 结 语

舰船是一个空间受限的海上移动平台，总体上的电磁兼容性和隐身性成为传统舰艇难题。通过天线集成技术，减少舰艇电子信息系统尤其是通信系统天线种类和数量问题，是解决舰艇整体隐身性和电磁兼容性，实现新一代综合性能最优先进舰船的一个重要技术支撑。欧美发达国家在以天线集成为基础的舰船综合射频集成方面已取得了长足发展，研究成果已在新型舰船上装备。我国目前也已开始相关技术的研究，但在技术研究的广度和深度，取得的实质性研究成果方面都存在差距，应结合作战使用需求，大力发展以集成桅杆和集成上层建筑为代表的一体化综合射频集成，推进海军信息化建设。

［1］朱永建.舰载通信天线发展综述［J］.舰船电子工程，2008，6(6):15-17.ZHU Yong-jian.Overview of shipborne antenna development［J］.Ship Electronic Engineering，2008，6(6):15-17.

［2］徐艳国，胡学成.综合射频技术及其发展［J］.中国电子科学研究院学报，2009(6):551-559.XU Yan-guo，HU Xue-cheng.Integrated RF technology and its development ［J］.Journal of China Acadewy of Electronics and Information Technology，2009 (6):551-559.

［3］潘镜芙.水面舰艇上层建筑和桅杆射频综合集成的思考［J］.舰船科学技术，2012，34(5):3-6.PAN Jing-fu.Topside and nast comprehensive integration of RF in surface warships［J］.Ship Science and Technology，2012，34(5):3-6.

［4］汪惠林.舰船集成上层建筑技术介绍［J］.船舶，2006，8(4):26-31.WANG Hui-lin.Integrated superstructure for naval ship［J］.Ship ＆ Boat，2006，8(4):26-31.

［5］寇艳玲.舰船上层结构集成化及天线技术发展动态［J］.测控与通信，2007(3):30-33.KOU Yan-ling.The ship superstructure integration and antenna technology development ［J］.Control and Communication，2007(3):30-33.

［6］黄继进.水面舰艇集成天线隐身设计技术［J］.舰船科学技术，2008，30(z1):143-146.HUANG Ji-jin.Stealth techniques of integrated antenna for surface ship［J］.Ship Science and Technology，2008，30(z1):143-146.

［7］张昀.国外海军先进射频集成系统分析［J］.电讯技术，2009，49(6):77-80.ZHANG Yun.Analysis of foreign naval advanced RF integrated systems［J］.Telecommunication Engineering，2009，49(6):77-80.