王添鴿,馬 遷,歐剛強
(1.海軍大連艦艇學院,遼寧 大連 066001;2.解放軍91917部隊,北京 102400)
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根以上獨立的鞭天線保障短波發(fā)信機工作。如果通過簡單改進,增強現(xiàn)有短波通信裝備抗干擾性能,將大幅提高復雜電磁環(huán)境下的艦艇短波通信保障能力。
單鞭天線的遠場輻射功率采用波印廷矢量積分法計算[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行仿真,如圖1所示。
圖1 單鞭天線水平方向圖
當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。
考慮到艦艇實際情況,當N=2、ψ=0、d=0.25λ時,對于半波天線,ξ分別取0、π/4、π/2、π時,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。
由式(5)和圖2可知,當d=0.25λ、ξ=π/2時,短波二元天線陣列的水平方向圖在0°達到最大值。為計算簡便,不妨設二元天線陣列遠場信號為:
ξ+d/λ·cosδ]
(6)
為使δ′方向天線增益最大,則有:
(7)
當δ′分別取π/6、π/2、π、3π/2時,對應的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
艦艇在海上執(zhí)行任務期間,以短波單邊帶通信系統(tǒng)為例,通信接收機端遠場通信信號為:
(8)
遠場干擾信號為:
(9)
對于短波單邊帶通信系統(tǒng),通信接收機端信噪比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為干擾機輸出功率和增益;γj為干擾的極化損失;Rj為干擾機到通信接收機距離;qrj(θ)為通信接收天線在干擾方向上的增益;Brj為干擾功率進入通信接收機的百分比。
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。假設敵方偵察兵力對我實施有效通信偵察及我通信聯(lián)絡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)信機端,當通信聯(lián)絡對象與敵方偵察兵力不在同一方向時,可通過改變短波二元天線陣列間的相位差,將通信聯(lián)絡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,進而改善我方通信接收機信干比,降低敵方干擾效果,必要時可通過選擇合適位置的我方其他通信臺站轉(zhuǎn)信達成抗干擾通信。
圖5 二元陣列天線抗干擾能力分析
對于典型艦艇短波天線,不考慮PTT電路,在不進行較大改動的前提下,通過設置相移控制器、相移器以及分/混頻器,實現(xiàn)對現(xiàn)役艦艇短波天線的二元天線陣列改造;同時考慮到非干擾狀態(tài)下,提高現(xiàn)有通信裝備使用效率,設置聯(lián)動開關實現(xiàn)獨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)動開關使各開關位于“觸點2”,各發(fā)信機可正常獨立工作,如圖6(a)所示。受敵方電子威脅嚴重時,通過控制聯(lián)動開關使各開關位于“觸點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,發(fā)信機1信號經(jīng)過分頻器,分成2路信號分別進入天線2及相移器,相移控制器根據(jù)敵我地理位置信息,計算相位差并對進入天線1的信號進行相移處理,使天線陣列最大增益方向?qū)饰曳酵ㄐ艑ο?,降低敵方對我進行通信偵察和通信干擾效果。
海軍艦艇短波通信使用獨立鞭天線工作,難以有效應對復雜電磁環(huán)境下的電子威脅。通過對短波多元天線陣列進行分析,提出了基于現(xiàn)役艦艇短波天線的二元天線陣列改造設計,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,增強了艦艇短波通信的抗干擾性能。