王添鴿，馬 遷，歐剛強(qiáng)

(1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 066001；2.解放軍91917部隊(duì)，北京 102400)

0 引 言

作為海軍艦艇通信的重要手段之一，艦艇短波通信多采用單根鞭天線，廣泛用于岸艦、艦艦間語音、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)通信保障[1]。由于單根鞭天線屬于全向天線，存在著發(fā)信效率低、易被偵察和干擾等問題。

對于典型的海軍水面艦艇，通常有2根以上獨(dú)立的鞭天線保障短波發(fā)信機(jī)工作。如果通過簡單改進(jìn)，增強(qiáng)現(xiàn)有短波通信裝備抗干擾性能，將大幅提高復(fù)雜電磁環(huán)境下的艦艇短波通信保障能力。

1 短波二元陣列天線性能分析

1.1 單鞭天線

單鞭天線的遠(yuǎn)場輻射功率采用波印廷矢量積分法計(jì)算[2-4]，方向性函數(shù)為：

(1)

基于艦艇短波通信天線特性,可不考慮地因子，最終的方向函數(shù)為：

(2)

按公式(2)對單鞭天線的水平方向圖進(jìn)行仿真，如圖1所示。

圖1 單鞭天線水平方向圖

1.2 短波多元天線陣列

當(dāng)多根鞭天線組成均勻直線陣，歸一化陣因子為：

(3)

ψ=ξ+kdcosδ

(4)

根據(jù)方向圖乘積定理，可以得出最終均勻直線陣的方向圖函數(shù)表達(dá)式為：

(5)

式中：ξ為各天線間電流相位差；d為相鄰陣元之間的距離；δ為天線長度；Δ為電波射線與陣軸線角度；N為陣元個(gè)數(shù)(鞭狀天線根數(shù))；ψ為每根天線與第一根天線總的相位差。

1.3 短波2元天陣列

考慮到艦艇實(shí)際情況，當(dāng)N=2、ψ=0、d=0.25λ時(shí)，對于半波天線，ξ分別取0、π/4、π/2、π時(shí)，水平方向圖如圖2所示。

圖2 二元陣列天線不同ξ值的水平方向圖

由圖2可知，對于陣元位置固定的短波二元天線陣列而言，可通過改變天線電流相位差改善天線的水平方向圖，以此提高艦艇短波通信的抗干擾性能。

2 艦艇短波二元天線陣列抗干擾性能分析

2.1 相位差計(jì)算

由式(5)和圖2可知，當(dāng)d=0.25λ、ξ=π/2時(shí)，短波二元天線陣列的水平方向圖在0°達(dá)到最大值。為計(jì)算簡便，不妨設(shè)二元天線陣列遠(yuǎn)場信號為：

ξ+d/λ·cosδ]

(6)

為使δ′方向天線增益最大，則有：

(7)

當(dāng)δ′分別取π/6、π/2、π、3π/2時(shí)，對應(yīng)的ξ值及天線方向圖分別如圖3、圖4所示[5]。

圖3 ξ值

圖4 2元陣列天線不同δ′值的水平方向圖

2.2 抗干擾性能分析

艦艇在海上執(zhí)行任務(wù)期間，以短波單邊帶通信系統(tǒng)為例，通信接收機(jī)端遠(yuǎn)場通信信號為：

(8)

遠(yuǎn)場干擾信號為：

(9)

對于短波單邊帶通信系統(tǒng)，通信接收機(jī)端信噪比ρi約等于輸入功率的信噪比[6]：

式中：Rt為通信收發(fā)距離；Pt，Gt為通信發(fā)射機(jī)發(fā)射功率和增益；qrt為通信接收天線在發(fā)射方向上的增益；Pj，Gj為干擾機(jī)輸出功率和增益；γj為干擾的極化損失；Rj為干擾機(jī)到通信接收機(jī)距離；qrj(θ)為通信接收天線在干擾方向上的增益；Brj為干擾功率進(jìn)入通信接收機(jī)的百分比。

在我通信雙方及敵方干擾兵力位置可知的情況下，通過改變短波二元天線陣列間的相位差，可提高艦艇短波通信的反偵察和抗干擾能力。假設(shè)敵方偵察兵力對我實(shí)施有效通信偵察及我通信聯(lián)絡(luò)對象有效接收的通信信號比值均為1，如圖5所示。在短波通信發(fā)信機(jī)端，當(dāng)通信聯(lián)絡(luò)對象與敵方偵察兵力不在同一方向時(shí)，可通過改變短波二元天線陣列間的相位差，將通信聯(lián)絡(luò)對象方位置于圖中陰影部分，提高在通信方向上的天線增益，將敵方偵察兵力置于其他方位，降低在敵方偵察兵力方向上的天線增益，從而降低敵方對我通信偵察的概率[7-9]。同理，

改變短波二元天線陣列間的相位差，可有效降低qrj(θ)值并增加qrt值，進(jìn)而改善我方通信接收機(jī)信干比，降低敵方干擾效果，必要時(shí)可通過選擇合適位置的我方其他通信臺站轉(zhuǎn)信達(dá)成抗干擾通信。

圖5 二元陣列天線抗干擾能力分析

3 基于現(xiàn)役艦艇短波天線的二元天線陣列改造方案

對于典型艦艇短波天線，不考慮PTT電路，在不進(jìn)行較大改動的前提下，通過設(shè)置相移控制器、相移器以及分/混頻器，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)役艦艇短波天線的二元天線陣列改造；同時(shí)考慮到非干擾狀態(tài)下，提高現(xiàn)有通信裝備使用效率，設(shè)置聯(lián)動開關(guān)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立天線與陣列天線間的轉(zhuǎn)換。

以發(fā)信為例，在無干擾情況下，可通過控制聯(lián)動開關(guān)使各開關(guān)位于“觸點(diǎn)2”，各發(fā)信機(jī)可正常獨(dú)立工作，如圖6(a)所示。受敵方電子威脅嚴(yán)重時(shí)，通過控制聯(lián)動開關(guān)使各開關(guān)位于“觸點(diǎn)1”，2根鞭天線共同組成短波二元天線陣列，如圖6(b)所示。此

時(shí)，發(fā)信機(jī)1信號經(jīng)過分頻器，分成2路信號分別進(jìn)入天線2及相移器，相移控制器根據(jù)敵我地理位置信息，計(jì)算相位差并對進(jìn)入天線1的信號進(jìn)行相移處理，使天線陣列最大增益方向?qū)?zhǔn)我方通信對象，降低敵方對我進(jìn)行通信偵察和通信干擾效果。

4 結(jié)束語

海軍艦艇短波通信使用獨(dú)立鞭天線工作，難以有效應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境下的電子威脅。通過對短波多元天線陣列進(jìn)行分析，提出了基于現(xiàn)役艦艇短波天線的二元天線陣列改造設(shè)計(jì)，通過改變天線相位差，在一定程度上改善了天線水平方向圖，提高了艦艇短波天線效率，增強(qiáng)了艦艇短波通信的抗干擾性能。