面阵天线与船体共形RCS减缩分析∗

姜朝宇 胡 磊 丁 凡

（1.海军驻葫芦岛地区代表室 葫芦岛 125004）（2.昆明精密机械研究所 昆明 650118）

（3.中国舰船研究设计中心 武汉 430064）

1 引言

美国DDG100通过将多功能集成桅杆和低辐射特征信号相控阵天线结合成一个具有低雷达波散射的集成上层建筑，在改善电磁兼容性的同时，实现改善雷达反射面积的目的，提高了舰船隐身性。雷达天线的阵面化、高集成度及与上层建筑共形，对雷达波隐身设计提出了更高的要求。控制面阵天线与船体共形设计后的雷达波隐身性，对于实现舰船的雷达波隐身设计具有及其重要的意义［1～6］。

阵面天线与船体共形必然涉及到对船体开口，天线反射板需要与船体开口连接，连接板与连接板之间的结构、连接板倾斜角度等均会对RCS散射特性造成影响，本文为凸显不同连接形式RCS变化趋势，仅针对阵面开口与船体连接形式进行分析。

利用Rhinoceros构建典型安装方案的三维模型，应用通用有限元网格处理软件Hypermesh生成网格模型，采用高频散射机理和高频电磁散射渐近计算方法进行仿真计算［7～10］。该方法主要通过物理光学法对表面感应场的近似和积分而得到散射场，应用射线追踪法处理模型中腔体区域的电磁反射，考虑多次反射，采用等效边缘流方法（EEC）算法计算目标边缘绕射贡献。开展典型安装方案的散射特性仿真分析，采用散射亮点定位，明确影响因素，并提出初步控制建议［11～12］。

2 反射板与船体开口连接板倾斜角分析

选取口径为2000mm×2000mm的反射板，天线整体安装深度为300mm，分析天线阵面与船体开口的连接板不同倾斜角度的散射特性。

图1 天线与船体共形三维及剖视图示意

2.1 天线阵面上下连接板的倾斜角度影响分析

分析天线上下连接板倾斜0°、30°、45°三种倾斜角时散射特性变化趋势。由于舰船主要面临的威胁波段集中在X、Ku波段，水平入射角。本文中主要针对典型频点10GHz、15GHz，0°入射角，两种极化方式进行计算。

表1 天线阵面上下面连接板不同倾斜角对比

天线阵面上下连接板不同倾斜角度对天线与船体共形的RCS会造成影响，其中天线上下连接板倾斜45°时RCS散射量值最大，其次为天线连接板与船体结构直角连接，倾斜30°时RCS散射量值最小。

由图2可以看出倾斜0°散射峰值分布在20°～160°整个区间。主要是由天线反射板与连接板构成的直二面角结构造成的。倾斜45°的散射量值集中在40°～140°整个区间，除天线反射板与连接板构成的直二面角结构外，还由天线上下连接板形成间接的直二面角结构，从而造成散射峰值较大（见图3散射亮点图）。

图2 10GHz、VV极化、0°入射角RCS曲线图

由上述分析可以看出对于面阵天线与船体共形连接时，应避免连接板与反射板构成直二面角结构。天线阵面与船体连接时，其连接板应倾角设计，但应避免相互之间形成新的直二面角结构。

图3 10GHz、VV极化、0°入射角、45°方位角散射亮点图

2.2 天线阵面两侧连接板的倾斜角度影响分析

上下连接板采用直角连接，变换两侧连接板倾斜角，研究两侧连接板倾斜角对RCS的影响。

天线两侧连接板不同倾斜角度对天线与船体共形RCS会造成影响，其中倾斜角在45°时RCS散射量值最大。倾斜角60°的散射量值约大于倾斜角30°，但均远小于倾斜角0°。

图4 10GHz、VV极化、0°入射角RCS曲线图

表2 天线阵面两侧不同倾斜角对比值

其不同倾斜角的散射量值分布与上下连接板倾斜角变化基本一致，但倾斜45°时散射量值主要集中在80°～100°，同样是由于两侧连接板之间形成的间接直二面角结构造成的。

同样由上述分析可以看出，天线连接板应倾斜设计，且应避免形成间接或者直接二面角。

3 反射板的深度影响分析

分析天线反射板距离船体结构深度分别为200mm、400mm时散射特性变化趋势。对天线阵面反射板距离船体结构深度变化RCS数据进行统计分析。

图5 10GHz、VV极化、0°入射角RCS曲线图

表3 天线阵面反射板距离船体结构深度变化RCS计算值

明显可以看出天线阵面反射板距离船体结构深度对天线与船体共形的RCS会造成影响，随着深度的增加RCS呈增大。在不影响天线辐射性能的前提下，应尽量避免天线嵌入深度过大。

4 连接板之间连接形式

连接板与连接板之间连接时，可直接焊接，也可倒圆角焊接，针对该形式，分析不同连接形式对RCS的影响。为凸显连接板连接形式的影响，连接板均与反射板成倾斜角布置，倾斜角为30°。

图6 10GHz、VV极化、0°入射角RCS曲线图

表4 天线阵面连接板之间连接形式对RCS影响对比

由此可以看出，天线阵面与船体连接板之间不同的连接形式对散射特性均会造成影响，其中相邻的连接板直接棱边焊接的散射量值最小，倒圆角焊接的散射量值角度，随着倒圆角的半径发生变化。天线连接板应直接棱边焊接。

5 结语

本文梳理出面阵天线与上层建筑共形RCS影响因素：天线分区形式、天线嵌入形式、天线与船体结构连接形式（连接板倾斜角度、反射板深度、连接板之间连接形式）等。结合典型形式进行仿真，得出以下结论：天线反射板应设置一定倾斜角与船体连接应，且反射板之间应避免构成直二面角；天线在满足自身辐射性能的前提下，应避免嵌入深度过大。连接板与连接板之间应棱边连接，或选择半径较小的圆弧过渡半径。