張 勇 侯小鵬

(1.海軍駐大連426廠軍事代表室 大連 116005)(2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

可控定向天線在遠(yuǎn)程通信上的應(yīng)用

張 勇1侯小鵬2

(1.海軍駐大連426廠軍事代表室 大連 116005)(2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064)

對于定向天線與隨動(dòng)系統(tǒng)分別進(jìn)行了簡要介紹,闡述了兩者的優(yōu)點(diǎn)與特性,提出將定向天線與隨動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合而得到可控定向天線的想法。并分析了在艦船上建立可控定向天線的可行性,闡明了為滿足高精度探測與控制上的需求,天線選擇卡塞格倫天線,控制方式上為自適應(yīng)逆控制(AIC)與PID控制相結(jié)合的復(fù)合控制。同時(shí)結(jié)合軟件上的加密技術(shù)、變頻技術(shù),可以滿足遠(yuǎn)程目指及遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn),同時(shí)也對卡塞格倫天線和自適應(yīng)逆控制(AIC)與PID控制相結(jié)合的復(fù)合控制進(jìn)行了相應(yīng)的概念及原理上的介紹。

定向天線; 卡塞格倫天線; 遠(yuǎn)程通信

Class Number E967.3

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的一個(gè)重要的特征就是情報(bào)共享以及遠(yuǎn)程遙控、遠(yuǎn)程目指等,情報(bào)共享不僅僅是局限于指編隊(duì)之間,更為廣泛的是指海陸空三軍之間的情報(bào)共享；遠(yuǎn)程遙控是指利用無線通信技術(shù)指揮偵察機(jī)、預(yù)警機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡的一種控制方式；遠(yuǎn)程目指是指給遠(yuǎn)距離艦船下達(dá)打擊特定目標(biāo)的能力。這些功能上的實(shí)現(xiàn)一個(gè)共同點(diǎn)就是利用無線通訊技術(shù),而定向無線通訊則是其實(shí)現(xiàn)的一種方式。天線對于艦船來說是至關(guān)重要的,它就像是艦船的眼睛和耳朵[1],從警戒設(shè)備到火炮系統(tǒng),無不伴隨著各種天線的使用,而定向天線則使用的頻率最高。

2 基本概念

2.1 定向天線的基本概念及參數(shù)

定向天線是指在某一個(gè)或某幾個(gè)特定方向上發(fā)射及接收電磁波特別強(qiáng),而在其它的方向上發(fā)射及接收電磁波則為零或極小的一種天線[2]。采用定向發(fā)射天線的目的是增加輻射功率的有效利用率,增加保密性；采用定向接收天線的主要目的是增加抗干擾能力。定向天線有三個(gè)重要的參數(shù),下面分別做出介紹：

1) 天線的方向性：通常一副天線向各個(gè)方向輻射電磁波的能力是不同的,它沿各個(gè)方向輻射電磁能量的強(qiáng)弱可用天線的方向系數(shù)來表示。所謂天線的方向系數(shù)是指在某點(diǎn)產(chǎn)生相等電場強(qiáng)度的條件下,無方向性天線總輻射功率PF0與定向天線總輻射功率PF的比值,常用“D”來表示,即

(1)

2) 天線增益：所謂天線增益是指天線將發(fā)射功率往某一指定方向發(fā)射的能力。天線增益定義為：取定向天線主射方向上的某一點(diǎn),在該點(diǎn)場強(qiáng)保持不變的情況下,此時(shí)用無方向性天線發(fā)射時(shí)天線所需的輸入功率Pi0,與采用定向天線時(shí)所需的輸入功率Pi之比稱為天線增益,常用“G”表示。即

(2)

3) 天線的效率：天線本身是一種無源器件,就其對傳輸而言存在一定的損耗。這種損耗通常用天線的效率來衡量。所謂天線效率就是指天線的輻射功率PF與輸入功率Pi之比。常用“η”來表示,即[3～5]

(3)

2.2 隨動(dòng)系統(tǒng)基本概念

對于反饋控制系統(tǒng)來說,如果其輸入信號(hào)為一任意的時(shí)間函數(shù),其變化規(guī)律無法預(yù)先確定,而且輸入信號(hào)作用于系統(tǒng)之后,要求系統(tǒng)輸出能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)該輸入信號(hào)時(shí),將承受這類輸入信號(hào)的反饋控制系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)。隨動(dòng)系統(tǒng)又稱為伺服系統(tǒng),在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,隨動(dòng)系統(tǒng)的輸出量能夠以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化[6]?？焖俑櫤蜏?zhǔn)確定位是隨動(dòng)系統(tǒng)的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。

2.3 可控定向通訊天線

可控定向通訊天線就是運(yùn)用隨動(dòng)系統(tǒng),調(diào)用軟件的相關(guān)功能,自動(dòng)調(diào)整天線到指定方位與仰角上的一個(gè)系統(tǒng)。它有效地將隨動(dòng)系統(tǒng)的靈活性與定向天線系統(tǒng)的可靠、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特性結(jié)合起來,達(dá)到可靠準(zhǔn)確通訊的目的。

3 可控定向通訊天線在艦船上的建立

定向天線的特征是在某一個(gè)或某幾個(gè)特定方向上發(fā)射及接收電磁波特別強(qiáng),而在其它的方向上發(fā)射及接收電磁波則為零或極小。采用定向發(fā)射天線的目的是增加輻射功率的有效利用率,增加數(shù)據(jù)保密性；采用定向接收天線的主要目的是增加抗干擾能力。然而保密性與抗干擾性只是其天生所帶來的硬件上的能力,當(dāng)在軟件上與加密技術(shù)、變頻技術(shù)相結(jié)合后,其數(shù)據(jù)保密能力及抗干擾能力將是很強(qiáng)大的。

定向天線在現(xiàn)代艦船上有著廣泛的使用,如各種警戒雷達(dá),它們的主要特性就是隨著天線固定周期地轉(zhuǎn)動(dòng)而搜索目標(biāo),搜索方位廣且定位準(zhǔn)確。

如果將警戒雷達(dá)與通信系統(tǒng)結(jié)合起來,利用雷達(dá)的搜索范圍廣的特性,進(jìn)行固定方位通信,則不失為一種穩(wěn)妥的遠(yuǎn)程通信方式。

[1]對于定向天線,可以選擇卡塞格倫天線,它是從拋物線演變而來的?？ㄈ駛愄炀€由三部分組成,即主反射器、副反射器和輻射源。其中主反射器為旋轉(zhuǎn)拋物面,副反射面為旋轉(zhuǎn)雙曲面。在結(jié)構(gòu)上,雙曲面的一個(gè)焦點(diǎn)與拋物面的焦點(diǎn)重合,雙曲面焦軸與拋物面的焦軸重合,而輻射源位于雙曲面的另一焦點(diǎn)上,如下圖所示。它是由副反射器對輻射源發(fā)出的電磁波進(jìn)行的一次反射,將電磁波反射到主反射器上,然后再經(jīng)主反射器反射后獲得方向上的平面波波束,以實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射[7]。

圖1 卡塞格倫天線工作原理

卡塞格倫天線相對于拋物面天線來講,它將饋源的輻射方式由拋物面的前饋方式改變?yōu)楹箴伔绞?這使天線的結(jié)構(gòu)較為緊湊,制作起來也比較方便。另外卡塞格倫天線可等效為具有長焦距的拋物面天線,而這種長焦距可以使天線從焦點(diǎn)至口面各點(diǎn)的距離接近于常數(shù),因而空間衰耗對饋電器輻射的影響要小,使得卡塞格倫天線的效率比標(biāo)準(zhǔn)拋物面天線要高[8]。

固定式定向通訊要求發(fā)射天線與接受天線處于一角度范圍內(nèi),才能達(dá)到較好的通訊能力。由于艦船是一種移動(dòng)式系統(tǒng),隨著艦船的移動(dòng),必然要求隨時(shí)修正天線的高低角及方位角以適應(yīng)所通訊的目標(biāo)；另一種情況是在已知目標(biāo)的方位及高度的情況下,要與此特定目標(biāo)進(jìn)行通信,就要求將天線調(diào)整到此目標(biāo)方位上,才能達(dá)到較好的通訊。上面兩種情況說明,期望遠(yuǎn)程通訊能夠擁有一種能夠通過輸入方位角、俯仰角來指揮并固定其通訊方向的能力,即需要帶有隨動(dòng)系統(tǒng)。

為了達(dá)到精確的控制目的,可采用自適應(yīng)逆控制(AIC)與PID控制相結(jié)合的復(fù)合控制,自適應(yīng)逆控制用被控對象傳遞函數(shù)的逆作為串聯(lián)控制器來對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性作開環(huán)控制,從而避免了因反饋而可能引起的不穩(wěn)定問題；同時(shí)又能做到對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的控制與對象擾動(dòng)的控制分開處理而不互相影響,它對單輸入單輸出、多輸入多輸出、線性、非線性、復(fù)雜的不確定性系統(tǒng)都有較好的控制效果[9]。

圖2 一種能在線和離線訓(xùn)練的自適應(yīng)逆控制

圖2為一種模型參考AIC結(jié)構(gòu),它采用兩個(gè)相同長度的FIR濾波器,分別完成對象及其逆的識(shí)別。

在AIC系統(tǒng)中,由于對象本身的結(jié)構(gòu)和延遲環(huán)節(jié)的引入可能導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差的增大,采用常規(guī)PID控制與AIC相結(jié)合可減少穩(wěn)態(tài)誤差[10]。

在硬件上采用卡塞格倫天線與復(fù)合控制方式的隨動(dòng)系統(tǒng),并且結(jié)合軟件上加密技術(shù)、變頻技術(shù),可以滿足遠(yuǎn)程目指及遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn),當(dāng)然這種通訊能力上的提高得依賴于雷達(dá)探測距離能力的提高,此技術(shù)在艦船上已經(jīng)有應(yīng)用,如敵我識(shí)別器,它就是將雷達(dá)系統(tǒng)與通訊系統(tǒng)結(jié)合起來,通過加密技術(shù)與跳頻技術(shù)的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊,但它未能實(shí)現(xiàn)角度可控,它只是簡單地利用雷達(dá)的全方位搜索能力而進(jìn)行通訊,當(dāng)然這也與其功能息息相關(guān),還有火控雷達(dá),它是通過隨動(dòng)系統(tǒng)的控制而調(diào)整到需要的方位角度及高低角,在此方向上搜索目標(biāo)。通過這兩個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的成功使用,我們有理由認(rèn)為,可控定向通訊在目前的技術(shù)條件下完全有能力實(shí)現(xiàn),將警戒探測設(shè)備與通訊系統(tǒng)結(jié)合起來使用時(shí),其通信的能力將得到一個(gè)很大的提高。

4 展望

隨著情報(bào)共享概念的提出,可以看到未來的戰(zhàn)爭模式將是信息的戰(zhàn)爭。充分融合海陸空三軍的情報(bào),實(shí)現(xiàn)三軍的各自優(yōu)勢,達(dá)到一體化作戰(zhàn)效果,這是很理想的一種作戰(zhàn)方式。情報(bào)共享不僅僅局限于編隊(duì)之間,更重要的是三軍之間的情報(bào)共享以及范圍更廣的盟軍之間的情報(bào)共享,如何做到穩(wěn)妥的通訊方式是首要考慮的問題,在衛(wèi)星通訊中斷時(shí)必須有一種替代的方式以便維持這種通訊,本文提出的可控定向通訊結(jié)合了定向通訊與隨動(dòng)系統(tǒng)的兩者的優(yōu)勢,具有通信距離上的優(yōu)勢,同時(shí)又具有可控性,因此可以被應(yīng)用在艦船通訊上。

5 結(jié)語

在登月計(jì)劃中,定向天線完美地被用來進(jìn)行月球與地球之間的通訊,其成功的運(yùn)用可以說是為我們在艦船上建立定向通訊提供了先例。利用可控定向天線的獨(dú)特優(yōu)勢,結(jié)合軟件中的加密技術(shù)及變頻技術(shù),可以說這應(yīng)該是除衛(wèi)星通訊外,比較穩(wěn)妥的一種通訊方式。

[1] 楊明月.基于定向天線的數(shù)據(jù)鏈自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011.

[2] 王維,李穎,李洪生.基于定向天線的移動(dòng)自組織路由協(xié)議研究[J].通信技術(shù),2010(7):7-9.

[3] 常媛媛.八木天線的設(shè)計(jì)仿真與測試[D].北京:北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[4] 齊恩杰.網(wǎng)狀反射面天線電性能分析及影響因素研究[D].西安:西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

[5] 劉大勇.寬帶定向天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)與測量方法研究[D].長春:吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

[6] 蔣樂濤.某型數(shù)字化隨動(dòng)系統(tǒng)分析及其調(diào)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京:南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

[7] 馮濤.極化扭轉(zhuǎn)卡塞格倫天線研究[D].西安:西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

[8] 錢嵩松.毫米波三波束卡塞格倫天線設(shè)計(jì)[D].西安:西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

[9] 解淑英.自適應(yīng)逆控制及其應(yīng)用研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007(4):13-17.

[10] 韓華,基于LMS算法的自適應(yīng)逆控制方法研究[D].長沙:中南大學(xué)博士學(xué)位論文,2008.

Anplication of Controllable Directional Antenna in Long-distance Communication

ZHANG Yong1HOU Xiaopeng2

(1. Navy Representative Office in Dalian 426 Factory, Dalian 116005) (2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064)

This paper simply introduces directional antenna and servo system, sets forth its advantages and characteristics, brings forward the idea of integrateing directional antenna and servo system, the possibility of building controllable atenna in waiship is analyzed. For the sake of pricise detect and control, Cassegrain atenna and mulriple control of AIC and PID are integrated.At the same time, encryption techniques and frequency conversion techniques are used to satisfy long-distance communications and long-distance aim-prescription.The paper also introduces atenna and mulriple control of AIC and PID’s concept and theory.

directional antenna, cassegrain atenna, long-distance communication

2016年7月8日,

2016年8月23日

張勇,男,高級工程師,研究方向：艦載電子信息。侯小鵬,男,碩士研究生,工程師,研究方向：艦載電子信息。

E967.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.016