潜艇桅杆通信天线发展研究

宋光明，陈大勇

(海军装备研究院，北京 100161)

潜艇桅杆通信天线发展研究

宋光明，陈大勇

(海军装备研究院，北京 100161)

桅杆类通信天线是潜艇通信天线的一种重要形式，作为潜艇通信系统的重要组成部分，是潜艇在潜望状态实现对外通信功能的关键。本文从配置、功能、性能等方面对外军常规潜艇和核潜艇桅杆类通信天线进行分析，研究提出外军潜艇桅杆类通信天线尤其是多功能通信桅杆天线的发展趋势。

潜艇桅杆类通信天线；多功能通信桅杆；发展趋势

0 引 言

潜艇通信的工作频段覆盖从超低频到甚低频、低频、中频、高频、甚高频、特高频乃至超高频等整个频段，每个频段的通信系统都需要配备相应工作频段的通信天线。天线作为潜艇通信系统的重要组成部分，是决定潜艇通信功能实现的关键环节[1]。桅杆类通信天线是潜艇通信天线的一种重要形式，潜艇可在潜望和水面状态使用可升降桅杆通信天线与岸基指挥所之间进行短波、卫星通信或者与水面舰艇、飞机之间进行超短波协同通信。频率覆盖范围广、种类数量繁多、工作环境恶劣、天线安装位置拥挤、设备结构复杂、可靠性和可维修性要求高等是潜艇桅杆通信天线的显著特征[2–3]。近年来，随着新型潜艇平台对通信系统功能要求的提升以及对潜艇隐蔽性要求的提高，对桅杆类通信天线的配置和功能提出了很高的要求。

本文从配置、功能、性能和发展趋势等方面对外军潜艇桅杆类通信天线的配置情况进行研究和分析，为今后潜艇桅杆通信天线的配置和发展提供理论支撑。

1 外军常规潜艇桅杆通信天线

1.1 德国常规潜艇

德国最新一代的 212A，214 型潜艇是当前国际上最先进的常规潜艇之一，代表了当前国际常规潜艇最高水平。根据相关资料，德国潜艇在天线的设计上采用了通信桅杆集成化和功能模块化的设计思想。如在214 型潜艇上装备有 2 根通信桅杆，其中 1 根通信桅杆上装有 1 个 HF 天线和 1 个 VHF/UHF/IFF/GPS/INMARSAT-C 组合天线；在另 1 根通信桅杆上装有 1 个HF 天线和 1 个 UHF 卫通天线（可兼顾接收HF/VHF）。桅杆上的每 1 个天线都可以独立升降，以保证所有天线在水面和潜望状态均可正常使用。每根通信桅杆都经过水动力优化设计，潜艇可在潜望状态12 kn 航速下正常使用，水面状态使用时无航速限制。此外，在桅杆上部还涂有雷达吸波材料，以提高雷达隐身性[4]。

1.2 俄罗斯常规潜艇

俄罗斯“阿穆尔”潜艇也是目前世界上最先进的常规潜艇之一，其通信天线采用多功能桅杆形式，且装备有 2 根通信桅杆。其天线升降装置采用非贯穿的结构形式，该结构形式不需要穿透耐压艇体，节省了大量舱内空间。升降装置采用框架形式，采用了多级升降技术、流线型截面桅杆、可移动式导轨支撑、模块化等新技术。

1.3 法国鲉鱼级潜艇

法国“鲉鱼”级潜艇同样装备有多功能通信桅杆天线，该桅杆天线采用流线型截面桅杆、模块化设计技术等，由 2 个可独立升降的天线组成，其中 1 个为可伸缩的 HF 天线，另 1 个为多功能组合天线。

1.4 英国常规潜艇

英国海军常规潜艇装备了马可尼公司研制的 AJU通信桅杆天线。AJU 通信桅杆天线由 2 个可独立升降天线组成，其中 1 个为可伸缩的 HF 天线，另 1 个为VHF/UHF/IFF/SATCOM/SATNAV/JTIDS 组合天线。AJU 型多功能通信桅杆能提供 HF（1.5 MHz～30 MHz），VHF/UHF（225 MHz～400 MHz）及 IFF，SATCOM，SATNAV，JTIDS 功能。短波天线伸出时，天线最大长度为 10 897 mm，短波天线缩回时，最大长度为 6 477 mm。AJU 型桅杆天线同时也装备于澳大利亚及加拿大海军。

表 1 外军常规潜艇通信桅杆天线性能统计表Tab. 1 Statistic table on the mast communication antenna of foreign conventional submarines

2 外军核潜艇桅杆通信天线

2.1 美国核潜艇

目前美军所有核潜艇，包括新的“弗吉尼亚”级攻击潜艇都采用多功能通信桅杆天线系统作为它们同飞机、水面舰、陆上设备的主要通信方式。美军的“三叉戟”弹道导弹核潜艇（SSBN-726）装备了 OE-207 型多功能通信桅杆天线。“洛杉矶”级攻击型核潜艇（SSN-688）、“洛杉矶”级改进型（改换装后）攻击型核潜艇、“海狼”级攻击型核潜艇（SSN-21）均装备 AN/BRA-34 型多功能通信桅杆天线作为主用天线。最新的“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇（SSBN-776）装备了 2 副基于 AN/BRA-34 系列天线改进的 OE-538 型多功能通信桅杆天线，如图 1 所示。OE-538/BRC 多功能通信桅杆天线设计与 OE-207/BR 型、AN/BRA-34 系列仍类似，其组成为天线体、控制器、分线盒和电缆组件等，如图 2 所示。

OE-538/BRC 多功能通信桅杆天线系统支持VLF/LF 接收（10～170 kHz）、MF/HF 收发（2～30 MHz）、VHF 视距收发（30～170 MHz）、UHF 视距收发（225～400 MHz）、VHF/UHF 卫通收发（240～400 MHz）、敌我识别 IFF 应答、GPS 接收以及 Link-16 数据链、铱星通信等多种功能。

图 1 SSN-776“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇指挥室围壳[5]Fig. 1 SSN-776 new attack submarine sail/antenna baseline configuration

图 2 OE-538/BRC 多功能通信桅杆天线及组成图[6]Fig. 2 OE-538 system units.

除装备 2 副多功能通信桅杆天线系统外，还装备有 2 副 EHF/SHF 高数据率宽带天线用于实现卫星高速率通信。潜艇高速数据天线终端采用 16 in 蝶形天线，用来接收卫星数据，其速率为 128 kbps～ 8 Mbps，可进行极高频低速和中速数据传输，具有超高频通信和接收全球广播服务的能力[7]。

美军未来下一代潜艇通信桅杆将是多功能宽波段天线系统，整合电子支援系统，并能够提供足够的带宽与卫星连接，进行图像及其他高速数据的发送和接收。

2.2 英国核潜艇

英国核潜艇也装备了多功能通信桅杆。“机敏”级核潜艇装备 3 根桅杆天线，分别为通信桅杆天线、EHF/SHF 卫通桅杆天线及 UHF 卫通桅杆天线，其通信桅杆天线主要用于短波与超短波通信，结构形式与美军 OE-538/BRC 型多功能通信桅杆类似。

2.3 俄罗斯核潜艇

俄罗斯“阿库拉”级、“塞拉”级攻击核潜艇、“奥斯卡”级弹道导弹核潜艇以及最新的 885 型攻击型核潜艇和 955 型弹道导弹核潜艇均装备有“闪电”-M 型自动通信系统和“海啸”型卫星通信系统，其中“闪电”-M 型自动通信系统的短波通信天线为安装在桅杆上的鞭天线，其“海啸”型卫星通信系统的卫通天线类似于 Ku 频段卫星通信天线。

3 外军桅杆类通信天线发展趋势分析

综上所述，为保证潜艇对外通信畅通，外军非常重视桅杆类通信天线的配置和发展。在潜艇指挥室围壳布局非常紧张的条件下，外军典型潜艇均在指挥室围壳仍然布置有 2 根通信桅杆天线，且其共同特点是均有 1 根多功能通信桅杆天线，实现短波天线、超短波、卫星通信、导航等多频段、多功能天线的集成，足见其对桅杆通信天线的重视。

综合分析，外军桅杆类通信天线具有以下发展趋势：

1）在功能集成方面，由单一频段通信桅杆天线向多功能通信桅杆方向发展

20 世纪 80 年代以前，外军潜艇基本配置为 1 套短波频段主用天线，1 套超短波频段综合天线，均可在潜望状态使用。随着技术的发展进步，单套天线频段越来越宽，越来越趋于功能复合。早期如 AT-118 型超短波综合天线工作频段为 100～164 MHz，220～400 MHz，980～1 150 MHz，该天线包含 VHF 天线、UHF天线、IFF 天线 3 个天线单元，3 个单元沿高度方向叠加在一起安装天线罩内，整个天线的尺寸为 φ 176 × 1 100 mm。该天线后来拓展出 AT-119（将 GPS 包含进去）、AT-125、AT-225（将 GPS、IFF、HF 收信均包含进去）等型号。再发展到目前 AN/BRA-34 型、OE-538 型等多功能通信桅杆天线，将短波、超短波、卫通、GPS、IFF 应答等各种功能天线集成一体，天线工作频段为 5～150 kHz，2～30 MHz 收发、30～88 MHz，100～164 MHz，225～400 MHz，980～1 150 MHz，1 227/1 575 MHz，240～320 MHz 卫通模式。外军先进潜艇均采用多功能通信桅杆天线取代早期的单一功能天线，其共同特点是短波天线和超短波、卫星通信、导航等多频段、多功能天线的集成。

2）在通信功能方面，逐步由低速率、点对点通信向高速率、组网通信发展

国外海军潜艇通信发展方向是适应网络中心战的要求，实现信息网络化及无缝、安全可靠的连通性及互操作性，提高其外部通信能力，使之真正成为未来海上联合作战的骨干节点。美军潜艇作战正从传统“寂静”独立工作方式向以网络为中心的作战方式转移。美军攻击型核潜艇已进行通信系统的升级，能够实现与战场其他兵力的紧密结合。美军潜艇装备的 AN/USC-38 天线系统安装在潜艇的潜望镜上[8]，使用极高频波段卫星通信直接与航母进行信息交换，可采用中、高速率进行通信。由于极高频波束比较集中，该天线系统工作时很难被敌方侦测。OE-538/BRC 多功能通信桅杆天线系统具有 Link-16 通信功能，可参与联合战术信息分发网络，与水面、空中等其他兵力进行指挥协同。

3）在天线集成方面，采取高度方向叠加方式和横向并排布置方式 2 种方式

在天线集成方式上，多功能通信桅杆天线实现方式有 2 种。德、法、俄等国潜艇多功能通信桅杆天线采用不同频段天线在横向并排布置方式，短波部分单独为 1 根，为伸缩天线形式，除短波外其他多频段天线仍为在高度方向叠加方式，单独为 1 根。美国核潜艇多功能通信桅杆天线装备同德、法、俄等国家相比较而言，技术路线有所不同。美国核潜艇多功能通信桅杆天线采用多频段天线在高度方向叠加方式、短波部分为大约 4 m 固定长度天线形式。而英国不同艇型分别采用了 2 种集成方式。初步分析认为：2 种不同实现方式主要取决于 2 方面的原因：一是通信功能实现程度，二是指挥室围壳高度。在短波和卫星通信两者之间，美军比较重视卫星通信，且其指挥室围壳高度较高，因此多采用高度方向叠加方式。

4）在天线配置方面，配置有 2 幅以上通信桅杆天线互备实现潜望通信功能

德国和俄罗斯的常规潜艇均采用 2 套通信桅杆，美军核潜艇均采用 2 套通信桅杆和外置式升降装置。经分析认为通信桅杆天线备份配置主要考虑满足可靠性、可维修性要求高的使用需求。潜艇通信天线设备大部分安装在舷外，运行监控、维护保养相对困难、潜航时可维修性差，尤其是当潜艇执行任务时，既要求天线可靠、快速和安全地接收和发射信号，又要尽可能不暴露自己，而且还要尽量不影响潜艇的机动性，这就对天线的可靠性、可维性提出了更高的要求。多功能通信桅杆天线结构复杂，为保证潜艇执行任务期间可靠使用的要求，多采用备份配置的方式来进行实现。

5）在综合隐身方面，采用导流型桅杆结构并开展雷达波隐身设计缩减 RCS

潜艇指挥室围壳桅杆通信天线的隐身设计是整个潜艇开展隐身设计的一个重要方面。其使用时的隐蔽性对潜艇避免暴露至关重要。改善潜艇通信天线的隐身性能是潜艇隐身设计的关键。桅杆类通信天线的隐身设计方面主要应考虑尾迹尾流和雷达波等因素。外军无论常规潜艇还是核潜艇，其多功能通信桅杆天线均采用导流型桅杆结构，以减小使用时的尾迹尾流。同时还对天线进行了合理的结构线型优化设计，应用合适的雷达吸波材料，有效降低天线的雷达反射截面积，以降低潜艇桅杆天线的 RCS 值，从而增加对方探测难度或减小对方的探测距离，以达到隐身的目的。

6）在未来发展方面，采用多功能模块化载荷及一体化集成以简化围壳设计

为了减少潜艇艇体暴露的可能性，包括通信天线在内的所有天线都需要安装在指挥台围壳的顶部，造成指挥室围壳内密布多套升降装置，围壳上各种天线林立。因此在设计天线时同其他系统进行综合考虑，要进行合理的布置，以避免相互影响并实现各自功能。随着潜艇作战对通信手段需求的增长，平台上有限的安装空间已经难以加装新的通信天线，因而出现了天线限制潜艇整体通信能力发展的情况。开展探测、侦察、对抗天线与通信天线的集成设计[4]，采用模块化的设计思想对多种不同功能载荷进行模块化设计，并从全局高度统一设计围壳内各型传感器与通信天线，优化围壳电磁兼容性，简化围壳设计。这也是未来桅杆类通信天线发展趋势之一。

4 结 语

从外军潜艇装备发展以及兵力运用角度来看，随着潜艇作战使用需求以及作战使命任务的拓展，潜艇与其他兵力实现完全链接，以增强其情报、监视、侦察和对陆攻击以及与水面舰艇、飞机和陆上部队协同的能力，以及利用安装在水下和空中无人运载器上的传感器实现超视距情报、监视和侦察[9]。这些均对桅杆类通信天线系统提出了新的更高的需求。通过对外军常规潜艇以及核潜艇指挥室围壳桅杆通信天线的研究，不难看出，随着通信技术的高速发展以及通信装备的不断进步，开展通信天线与电子设备集成设计，桅杆类通信天线应在改善天馈性能、提升辐射性能的基础上实现设备小型化与集成优化，适应未来通信设备射频融合的发展需求；应在保持天线使用效能的同时，不断研究新材料、设计新结构以缩减天线 RCS，提升潜艇雷达隐蔽性，满足潜艇隐蔽作战使用要求。

[1]方传顺. 潜艇通信天线[M]. 北京: 海潮出版社, 2005.

[2]罗建新, 冯扬. 潜艇通信天线技术现状及发展趋势[J]. 舰船科学技术, 2008, 30(S): 19–22.

[3]浦海兵. 潜艇通信天线的结构设计研究[J]. 舰船科学技术, 2008, 30(S): 62–65.

[4]朱泽会, 龚亚军, 王晓东, 等. 潜艇观通支持平台技术的发展现状及趋势[J]. 舰船科学技术, 2010, 32(10): 135–139.

[5]Submarine Communications Master Plan (December 1995) [EB/OL]. (1995-11). http://fas.org/man/dod-101/navy/ docs/scmp/index.html.

[6]OE-538/BRC Multifunction Communication Mast Antenna System[EB/OL]. (2006-06-23). http://www.sippican.com/stuff/contentmgr/files/474e4a92db6e2ad9c7446b939a122dc4/sheet/oe_5 38.pdf.

[7]孙东平, 荣海洋, 李建林. 外军潜艇通信装备发展趋势研究[J].通信技术, 2009, 42(10): 1–3.

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[9]张文玉, 李长军, 吴鹏. 潜射无人机现状及发展前景分析[J].飞航导弹, 2013(4): 38–41, 45.

Synthesis research on mast communication antenna of submarines

SONG Guang-ming, CHEN Da-yong
(Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

Mast communication antenna is an important form of communications antenna used for submarines, and as an important part of submarine communication system, plays an important role in exterior communications. This paper analyzes the configuration and the function of conventional submarine and nuclear submarines of foreign army, and proposes the developing trend of foreign submarine mast communication antennas especially multifunction communication mast antenna system.

submarine mast communication antenna；multifunction communication mast antenna system；evolution trend

TB567

A

1672–7619(2016)12–0151–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2016.12.031

2016–04–20；

2016–07–07

宋光明(1978–)，男，硕士，工程师，从事舰艇通信系统研究工作。