舰船结构对天线辐射性能影响程度的分析

吴 晖，陈 谦，王燕燕，历园园，姜 弢

(1.海军驻武汉701 所军事代表室，湖北 武汉430064;2.中国舰船研究院，北京100192;3.哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨150001)

0 引 言

随着舰船信息化程度的不断提高，舰船天线数量增多。舰船甲板上的金属结构受到电磁波照射后会产生反射或散射作用，引起天线辐射方向图畸变，影响天线的辐射特性，进而影响舰船电子设备，破坏舰船电磁兼容［1－3］。本文基于物理光学法及物理绕射理论［4－5］，采用专业的舰船电磁仿真软件Ship－EDF，计算舰载天线系统的辐射方向图，直观、清晰地分析舰船结构对天线辐射特性的影响［6－7］。由于舰船桅杆处集中了大量的电子设备及天线，因此本文重点研究舰船桅杆处的射线追踪情况和舰船桅杆对天线辐射特性的影响，以及天线上舰前后方向图特性对比，进而分析舰船结构对天线辐射特性影响程度。研究舰船结构对天线辐射特性的影响程度对于改善舰船电磁环境、提高舰船作战能力、增强舰船生命力具有重要意义［8－10］。

1 舰载天线辐射特性

天线理论中常用于表示天线性能的参数主要是方向图、电压驻波比、输入阻抗、反射系数、回波损耗等。其中天线方向图可以直观地获得天线在不同方向辐射或者接收电磁波的能力，天线方向图可以说明天线辐射特性随着空间位置的变化关系。

以某舰船为例，研究舰船结构对天线辐射特性的影响。将工作在S 波段的天线安装到舰船上层建筑上，并垂直于舰船表面向外辐射电磁波，如图1所示天线1及天线2。分别计算天线上舰前后方向图以及天线在不同位置时，舰船结构对天线辐射特性的影响。重点研究舰船桅杆对天线1 及天线2 辐射特性的影响。

图1 舰船模型及天线安装位置Fig.1 Ship model and installation position of antenna

天线安装到舰船上以后，受到舰船结构的影响，天线方向图发生畸变。主要原因是当天线辐射电磁波时，电磁波在舰船结构表面产生的绕射、反射等行为影响了舰载天线系统的散射场，进而影响了天线的辐射特性。

为了更加清晰地展示舰船结构对天线方向图的影响，采用Delta 增益方法来显示，如图2和图3所示。

其中，链路特性是安装的天线增益与同一个天线在自由空间时增益的比与软件默认的Delta Gain的比得到的。因此，可以用链路特性来表征天线方向图的特性。Good link 说明性能良好，可以正常工作;Uncertain link为不确定链路;no link 说明不能正常工作。通过鲜明对比，可以看到，在自有空间时天线1的Good link为98.64%，而上舰后的Good link为96.92%，天线辐射特性有一定下降。这说明舰船结构在受到电磁波照射后产生的散射场影响了天线的远场方向图，导致辐射性能下降。

2 舰船结构对天线辐射性能的影响

图2 天线1 自由空间链路特性Fig.2 Link feature of antenna 1 in free space

图3 天线1 上舰后链路特性Fig.3 Link features of antenna 1 in ship

由前面分析可知，天线上舰后，方向图发生畸变，辐射特性受到影响。说明舰船结构影响了天线的辐射性能。通常舰船上层建筑安装有大量的电子设备及天线，尤其是舰船桅杆，结构复杂，天线林立。因此重点研究舰船桅杆对天线辐射特性的影响。并通过射线追踪的情况验证舰船桅杆对天线辐射特性［5］的影响机理。分别计算天线安装在有桅杆及无桅杆的舰船上时天线的链路特性以及有桅杆及无桅杆时的射线追踪情况。

2.1 舰船桅杆对天线辐射特性的影响

图4为有桅杆时天线1的链路特性，图5为无桅杆时天线1的链路特性。

从图4和图5 可以看出，当天线1 安装在有桅杆的舰船上时，Good link为96.92%;当天线1 安装在无桅杆的舰船上时，Good link为96.02%。

图6和图7 分别为舰船有无桅杆时，天线2的链路特性。对比可知，有桅杆时，天线2的Good link为96.53%;无桅杆时为96.96%。

天线1 在有桅杆的情况下，链路特性较无桅杆时好，而天线2 相反。由以上结果可知，舰船桅杆对天线辐射性能有一定影响，但不都是使天线性能变差，取决于天线的布局。本例中天线1 安装在距离桅杆稍远的位置，而天线2 距离桅杆较近，因此，导致天线2 在有桅杆时，性能变差。

图4 有桅杆时天线1 链路特性Fig.4 Link feature of antenna 1 with mast in ship

图5 无桅杆时天线1 链路特性Fig.5 Link feature of antenna 1 without mast in ship

图6 有桅杆时天线2 链路特性Fig.6 Link feature of antenna 2 with mast in ship

2.2 舰船桅杆到天线的射线追踪

为进一步了解舰船桅杆对天线辐射特性的影响，计算舰船桅杆到天线的射线追踪情况。在桅杆附近取一观察点，通过观察到达该点的射线数量，来判断场强大小。

图7 无桅杆时天线2 链路特性Fig.7 Link feature of antenna 2 without mast in ship

图8 有桅杆时天线1 射线追踪Fig.8 Ray tracing of antenna 1 with mast in ship

图9 无桅杆时天线1 射线追踪Fig.9 Ray tracing of antenna 1 without mast in ship

由图8和图9 可以看出，到达观察点处的射线数量较无桅杆时多，且天线周围射线数量也较无桅杆时多。说明，有桅杆时天线1 辐射性能较无桅杆时好的原因是由于舰船桅杆对天线1 周围散射场贡献较大，散射场的适量叠加增强了天线的辐射性能。

3 结 语

仿真结果表明，天线安装在舰船上以后，天线的辐射特性较自由空间时都有所下降，即舰船结构对天线的辐射特性有一定影响。进一步分析舰船桅杆对天线辐射特性的影响得出，天线1 在有桅杆时比无桅杆时的辐射性能强，天线2 在无桅杆时比有桅杆时辐射性能强。说明舰船结构对天线辐射性能的影响还取决于天线的布局，即天线与舰船桅杆的距离。因此设计和安装舰船天线时，不仅需要考虑舰船结构对天线性能的影响，还需要对天线安装位置合理布局。这对于改善舰船电磁环境、提高舰船作战能力、增强舰船生命力具有重要意义。

［1］张崎，赵晓楠.RHS 技术在舰载天线优化布局中的应用［J］.华中科技大学学报，2008，7.

［2］赵勋旺，张玉，梁昌洪.舰载多天线系统电磁兼容性分析［J］.电波科学学报，2008，23(2):252－254.

［3］林泽祥，兰强.天线的电磁兼容技术［J］.电波科学学报，2007(1).

［4］吴文洲，鞠智芹，张永顺，等.物理光学法在天线问题上的应用［J］.火力与指挥控制，2005，30.

［5］肖慧.物理光学电磁建模方法的研究与实现［D］.长沙:国防科技大学，2003.

［6］周斌，刘其中，黄伟芳，等.复杂环境中天线辐射方向图的分析［J］.微波学报，2006，22.

［7］黄伟芳，刘其中，周斌.大尺寸导体附近线天线的辐射方向图研究［J］.电波科学学报，2006(5).

［8］余青.舰载平台多天线辐射特性及电磁兼容性研究［D］.西安:西安电子科技大学，2011.

［9］王宁，沈锐超，刘培国.通信天线对舰船平台电磁环境影响的仿真研究［D］.中国，2010.

［10］陈宇，刘少斌.大型舰船在天线辐射下电磁特性的研究，装备环境工程［Z］.2011.