李定剛，謝擁軍

（1.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100191；2.海軍裝備部重慶局，四川綿陽(yáng)621000）

二次雷達(dá)是通過(guò)地面詢問(wèn)機(jī)和接收機(jī)載應(yīng)答機(jī)反饋的信息來(lái)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別目標(biāo)的，可避免一次雷達(dá)常見(jiàn)的地物雜波、氣象雜波等干擾，因而在民用和軍用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-2]。但由于電磁波繞射的作用，飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、起落架、飛行姿態(tài)等都會(huì)引起天線方向圖的畸變，特別是當(dāng)飛機(jī)在海面低空飛行時(shí)，海面反射引起的多徑干涉效應(yīng)，會(huì)引起寬波束雷達(dá)天線的俯仰波束分裂，產(chǎn)生飛機(jī)探測(cè)盲區(qū)，從而導(dǎo)致雷達(dá)觀測(cè)的盲區(qū)和目標(biāo)跟蹤丟失[3]。文獻(xiàn)[4]從天線和電波傳播的概念出發(fā)，分析了海面上單脈沖二次雷達(dá)詢問(wèn)天線的三維方向圖特性及?；痪S相控陣?yán)走_(dá)天線在姿態(tài)傾斜后的方位面和俯仰面干涉方向圖；文獻(xiàn)[5]通過(guò)計(jì)算機(jī)載單極子天線輻射方向圖，并與自由空間中的方向圖比較，分析了飛機(jī)對(duì)機(jī)載天線方向圖的影響；文獻(xiàn)[6]提出了HFSS與一致性幾何繞射理論（UTD）相結(jié)合的方法，將仿真得到的天線陣列方向圖的矢量場(chǎng)分量作為源代入U(xiǎn)TD算法，計(jì)算出飛機(jī)對(duì)相控陣天線方向圖的影響。文獻(xiàn)[7-11]研究了多徑效應(yīng)對(duì)米波天線方向圖、短波通信、無(wú)線電測(cè)控設(shè)備及測(cè)向方位角的影響。本文從理論上闡述了飛機(jī)機(jī)體及海面對(duì)機(jī)載天線陣列方向圖的影響，采用HFSS仿真軟件建立了天線陣列、機(jī)載天線和海面機(jī)載天線仿真模型，分析了飛機(jī)機(jī)體及海面對(duì)機(jī)載二次雷達(dá)覆蓋范圍的影響，最后根據(jù)安裝在平直面上的天線的地面反射公式，計(jì)算了天線離海面不同高度時(shí)海面對(duì)機(jī)載天線覆蓋范圍的影響，得出了海面低飛最佳飛行高度，分析并總結(jié)了海面飛行高度對(duì)機(jī)載天線方向圖的影響。

1 理論分析

1.1 飛機(jī)對(duì)機(jī)載天線測(cè)向性能的影響

天線一般是按照預(yù)先設(shè)計(jì)進(jìn)行加工的，但實(shí)際天線的實(shí)測(cè)天線方向圖與理論計(jì)算的方向圖通常有偏差，尤其是遠(yuǎn)區(qū)副瓣。天線加工和饋電中存在的小誤差不可避免地干擾口徑照射，使得方向圖在細(xì)節(jié)上與預(yù)期產(chǎn)生差異。當(dāng)天線安裝在飛機(jī)上時(shí)，由于飛機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的電磁散射體，飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、起落架、飛行姿態(tài)等都會(huì)引起天線方向圖的畸變，因而天線的方向圖與其安裝位置有很大關(guān)系。更為嚴(yán)重的是，很多情況下，飛行員本身并不知道機(jī)載天線的垂直方向圖發(fā)生了畸變，電波傳播處于盲從狀態(tài)，很可能在戰(zhàn)時(shí)緊要關(guān)頭導(dǎo)致航管失靈而貽誤戰(zhàn)機(jī)。解決的辦法是盡量減少飛機(jī)殼體對(duì)其的影響，或者在飛機(jī)殼體對(duì)其影響較大時(shí)盡量不要使用航管二次雷達(dá)設(shè)備。

1.2 海面反射與多徑效應(yīng)

當(dāng)機(jī)載天線的波束較寬時(shí)，由于海面反射作用，航管二次雷達(dá)發(fā)射的電磁波在傳播過(guò)程中存在的傳播途徑不止一條，除了直接傳播到目標(biāo)的直射路徑以外，還包含由于海面反射產(chǎn)生的多條反射路徑，目標(biāo)最終接收到的是直射波和反射波的合成波，這是一種干涉場(chǎng)，即多徑效應(yīng)[7]。通過(guò)直接傳播途徑和反射傳播途徑到達(dá)航管二次雷達(dá)天線的電磁波之間相互疊加，產(chǎn)生干涉效應(yīng)，信號(hào)的波前面也將出現(xiàn)畸變，這取決于2個(gè)同時(shí)接收分量的相對(duì)幅度和相位。

1.3 海面反射對(duì)天線方向圖的影響

電波在傳播過(guò)程中遇到平面就會(huì)產(chǎn)生鏡面反射。當(dāng)雷達(dá)地面天線發(fā)射電波能量經(jīng)海面反射后形成2 部分，即直射波和反射波。直射波和反射波在空間合成后形成一新的能量分布場(chǎng)。其示意見(jiàn)圖1。

圖1 海面反射對(duì)雷達(dá)天線波束影響Fig.1 Influence of surface reflection on the radar antenna beam

設(shè)平面反射系數(shù)為ρ，海面反射相移為Φr，天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)最大方向上對(duì)應(yīng)電壓為U0，圖1中射線2比射線1 多走δ=2h1sin β的幾何路程，則可以得到平面反射時(shí)的方向圖f1(β)為[4]：

2 仿真研究和計(jì)算

2.1 機(jī)體和海面對(duì)機(jī)載天線方向圖的影響

建立天線陣列、機(jī)載天線和海面機(jī)載天線仿真模型，將天線陣列的中心頻率設(shè)定為1 060 MHz，將天線安裝在飛機(jī)機(jī)頭位置，并仿真得到其方向圖，見(jiàn)圖2。由于天線的最大輻射方向在飛機(jī)機(jī)頭方向，因而在天線輻射性能分析時(shí)，天線方向圖的正前方即為飛機(jī)的機(jī)頭方向。從圖2中可以看出，天線陣列在自由空間中輻射的電磁波是以行波進(jìn)行傳播的；由于飛機(jī)機(jī)體的影響，原本平滑的天線陣方向圖在部分角度上出現(xiàn)了輕微的上翹和凹坑，但機(jī)載天線的方向圖未發(fā)生嚴(yán)重形變，飛機(jī)機(jī)體未影響天線的方向性；在海面上低空飛行時(shí)，飛機(jī)機(jī)體及海面反射的共同作用使得方向圖也發(fā)生了嚴(yán)重的分叉和變形，同時(shí)，飛機(jī)的正下方無(wú)增益，即飛機(jī)機(jī)腹位置出現(xiàn)了探測(cè)盲區(qū)。進(jìn)一步建立海面機(jī)載天線模型，并將機(jī)載天線與海面高度設(shè)定為15 m 和30 m，重新進(jìn)行仿真計(jì)算，并得到其方向圖，如圖3所示。可以看到，當(dāng)距海面高度越低時(shí)，海面反射越嚴(yán)重，海面對(duì)天線的方向圖影響越嚴(yán)重，在更多的角度增益較低，出現(xiàn)更多的探測(cè)盲區(qū)。

圖2 機(jī)體和海面對(duì)天線3D方向圖的影響Fig.2 Influence of airframe and sea surface on 3-D radiation pattern of antenn

圖3 天線陣列在自由空間和離海面不同高度時(shí)的3D方向圖Fig.3 3-D radiation pattern of array antenna in free space and different height above sea

與之相對(duì)應(yīng)的，將15 m和30 m 2個(gè)水平方向圖放在一起進(jìn)行比較，見(jiàn)圖4?？梢钥吹剑怯捎诤Ｃ娴亩鄰叫?yīng)，同樣的機(jī)載天線和飛機(jī)在不同高度時(shí)天線方向圖分叉情況是不一樣的，海面對(duì)其輻射特性影響不一樣。在高度越高時(shí)，分叉越嚴(yán)重，說(shuō)明機(jī)載天線在更多的角度有增益，探測(cè)盲區(qū)越小，此時(shí)海面對(duì)其方向圖影響越小。

圖4 機(jī)載天線在海面上15 m和30m高度時(shí)的方向圖對(duì)比Fig.4 Comparison of radiation pattern of airborne antenna in the situation of 15 m and 30 m above sea

2.2 海面高度對(duì)機(jī)載天線方向圖的改變

利用上述用HFSS仿真得到的機(jī)載天線方向圖，并將其方位和幅度等數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化成圖形可得到機(jī)載天線的俯仰方向圖，如圖5所示?？梢钥闯觯捎谔炀€方向圖只受飛機(jī)機(jī)體的影響，因而俯仰方向圖相對(duì)比較平滑。

圖5 機(jī)載天線俯仰方向圖Fig.5 Pitching radiation pattern of airborne antenna

同樣，根據(jù)計(jì)算式（1）可以計(jì)算并得出海面機(jī)載天線的方向圖。為方便計(jì)算，采用C 語(yǔ)言對(duì)式（1）進(jìn)行編程，設(shè)定飛機(jī)飛行高度為30 m，海水介電常數(shù)為80 f/m，電導(dǎo)率為4 s，可以得到海面機(jī)載天線陣列的方向圖如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于海面反射影響，天線方向圖不再平滑，而是分裂成無(wú)數(shù)個(gè)波瓣，從仰角0°～5°的方向圖可以看出，每個(gè)波瓣都有最大的峰值，波瓣和波瓣之間分別出現(xiàn)低谷，天線方向圖覆蓋的范圍，為雷達(dá)有效范圍。因此，在天線性能分析中，應(yīng)使天線方向圖覆蓋范圍最大。

圖6 海面機(jī)載天線陣列不同仰角時(shí)的方向圖Fig.6 Radiation pattern of airborne antenna on the sea at different angle of elevation

同理，將30 m 與300 m、300 m 與1 000 m的天線方向圖分別對(duì)比分析，如圖7所示，從圖中可以看出，飛機(jī)飛行高度越高，俯仰方向圖分裂產(chǎn)生的波瓣數(shù)更多，波瓣更密集，但分裂波瓣產(chǎn)生的峰值和谷值相同，即俯仰方向圖產(chǎn)生的波瓣分裂，分裂波瓣峰值形成的上包絡(luò)圖形和和谷值形成的下包絡(luò)圖形基本相同。

不同的飛行高度，分裂波瓣谷值形成的下包絡(luò)圖形相同，即天線輻射都能對(duì)下包絡(luò)形成的圖形形成覆蓋，區(qū)別是波瓣分裂數(shù)數(shù)量不一致，造成分裂波瓣峰值形成的上包絡(luò)圖形范圍內(nèi)的覆蓋效果不同，飛行高度越高，分裂產(chǎn)生的波瓣數(shù)更多，波瓣更密集，對(duì)波瓣峰值形成的上包絡(luò)圖形范圍內(nèi)的覆蓋效果越好。

為計(jì)算出海面對(duì)機(jī)載天線方向圖產(chǎn)生影響的最大高度，將海面飛行高度設(shè)定為30 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m、500 m、600 m和1000 m共9個(gè)高度，統(tǒng)計(jì)分析了飛機(jī)距離海面不同高度的天線俯仰方向圖第1峰值到第6峰值對(duì)應(yīng)的仰角，如表1所示。

圖7 海面機(jī)載天線陣列在不同高度時(shí)的方向圖對(duì)比Fig.7 Comparison of radiation pattern of airborne antenna on the sea at different height

表1 飛機(jī)距離海面不同高度各峰值對(duì)應(yīng)仰角Tab.1 Angles of elevation corresponding to various peaks of radiation pattern when aircraft flying at different heights on the sea

由表1中的數(shù)據(jù)分析可知，飛機(jī)距離海面250 m以下時(shí)，各分裂波瓣峰值之間的夾角比較大，天線輻射方向圖覆蓋效果不太好；但當(dāng)飛機(jī)距離海面250 m以上時(shí)，各分裂波瓣峰值之間的夾角比變化不大，夾角在0.03°～0.04°之間，由于各分裂波瓣峰值之間的夾角比較小，且變化不大，故天線波瓣峰值形成的上包絡(luò)圖形范圍內(nèi)的覆蓋效果也比較好。因此，飛機(jī)海面飛行高度在250 m以上效果比較好。

3 結(jié)束語(yǔ)

在信息化海戰(zhàn)中，海面環(huán)境嚴(yán)重影響著機(jī)載設(shè)備的性能發(fā)揮，而誰(shuí)能快速、準(zhǔn)確地獲取對(duì)方的位置等信息，誰(shuí)就將取得戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。

本文針對(duì)現(xiàn)代海戰(zhàn)中出現(xiàn)的飛機(jī)低飛情況下出現(xiàn)的探測(cè)盲區(qū)的情況，對(duì)在自由空間、飛機(jī)和海面上的某一天線陣列進(jìn)行了仿真研究，分析探討了飛機(jī)機(jī)體及海面對(duì)天線陣列方向圖的影響，同時(shí)計(jì)算了海面飛行高度對(duì)機(jī)載天線方向圖的影響，提出了一個(gè)合理的飛行高度，為作戰(zhàn)指揮員提供了決策依據(jù)，具有一定的參考意義。

[1]張尉.二次雷達(dá)原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007：10-180.

ZHANG WEI.Theories of secondary radar[M].Beijing：National Defense Industry Press，2007：10-180.（in Chinese）

[2]山秀明.航管二次雷達(dá)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1983：171-175.

SHAN XIUMING.Secondary surveillance radar[M].Beijing：National Defense Industry Press，1983：171-175.（in Chinese）

[3]中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司.海軍武器裝備與海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境概論[M].北京：海潮出版社，2007：495-498.

CHINA SHIPBUILDING INDUSTRY CORPORATION.Introduction to naval weapons and naval battle field environment[M].Beijing：Haichao Press，2007：495-498.（in Chinese）

[4]溫劍.海面反射對(duì)一維相控陣天線影響的研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2012，34（5）：57-61.

WEN JIAN.A study on sea surface reflection of linear phased array[J].Modern Radar，2012，34（5）：57-61.（in Chinese）

[5]張安旭，張智軍，陳漢輝，等.機(jī)載天線的方向圖分析[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，7（6）：19-21.

ZHANG ANXU，ZHANG ZHIJUN，CHEN HANHUI，et al.The analysis of an airborne-antenna pattern[J].Journal of Air Force Engineering University，2006，7（6）：19-21.（in Chinese）

[6]趙杰，梁昌洪，王萌.HFSS結(jié)合UTD計(jì)算機(jī)載天線方向圖[C]//2007年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集.2007：145-148.

ZHAO JIE，LIANG CHANGHONG，WANG MENG.Analysis of the airborne antenna pattern by HFSS/UTD[C]//Symposium of the sessions of the national microwave millimeter wave in 2007.2007：145-148.（in Chinese）

[7]柯林R E.天線與無(wú)線電波傳播[M].大連：大連海運(yùn)學(xué)院出版社，1988：236-308.

COLIN R E.The antenna and the radio waves propagation[M].Dalian：Dalian Maritime University Press，1988：236-308.（in Chinese）

[8]孫紹國(guó).多徑效應(yīng)對(duì)米波天線方向圖影響分析[J].電訊技術(shù)，2008，48（2）：52-56.

SUN SHAOGUO.Analysis of the influence of multipath effect on meter-wave antenna pattern[J].Telecormmunication Engineering，2008，48（2）：52-56.（in Chinese）

[9]李樹(shù)國(guó).海面多徑效應(yīng)對(duì)無(wú)線電測(cè)控設(shè)備的影響[J].遙測(cè)遙控，1992，13（2）：18-21.

LI SHUGUO.The influence of multipath effect by the sea on wireless measurement and control equipment[J].Telemetry and Telecontrol，1992，13（2）：18-21.（in Chinese）

[10]陳斌，黃贊能，李磊.短波通信多徑效應(yīng)分析[J].艦船電子工程，2007，27（6）：104-105.

CHEN BIN，HUANG ZANNENG，LI LEI.Analysis of multipath effect on short-wave communication[J].Ship Electronic Engineering，2007，27（6）：104-105.（in Chinese）

[11]李博章，謝飛，劉坤.多徑效應(yīng)對(duì)測(cè)向方位角的影響分析[J].艦船電子工程，2010，30（2）：81-83.

LI BOZHANG，XIE FEI，LIU KUN.Research on the influence of the multi-path effect on direction finding azimuth[J].Ship Electronic Engineering，2010，30（2）：81-83.（in Chinese）