舰船短波天线与结构共型仿真应用

久病成欢

　　1短波天线应用现状
　　短波通信又称高频(HF)通信，使用频率范围为3~30MHz，主要利用天波经电离层反射后，无需建立中继站即可实现远距离通信，如图1 中的A 站到C 站、D 站的传播。如下图：




　　同时由于电离层的不可摧毁特性，短波通信始终是军事指挥的重要手段之一，所以短波通信天线在舰船上有着广泛的应用。下图为美国某型驱逐舰，舰岛上密布着各种功能的天线。



　　对于用来保证无线电通信设备工作的舰船用天线，按其波段可以分为短波、中波、分米波、和米波天线等;按其馈电形式可以分为对称和非对称天线;按其方向图形状可以分成定向辐射和全方向性辐射天线。在同一艘舰船不仅安装强方向性天线，同时也安装弱方向性天线。例如供人造卫星通信使用的天线设备属于强方向性天线，这种天线工作在分米波波段，通常安装在上层建筑或桅杆上，以便天线的波瓣不被舰船的某一部分挡住，舰船壳体和其他金属构件对天线性能影响比较小;而工作在中波、短波、超短波波段的天线则一般属于弱方向性天线，这种天线受舰船壳和其他金属构件的影响较大。

　　短波通信工作波长在几米到数十米之间，壳体和上层建筑的尺寸和短波天线的工作波长可以相比拟，如果天线安装位置不当，如非常靠近高层金属物等，对天线方向图有较严重的影响，达不到有效通信的目的。同时，又由于舰船上天线分布密集，指挥、导航、动力等电子设备和武器装备星罗密布，大功率短波天线近场辐射很强，如果不能有针对性的采取有效措施，将很容易造成对其他设备或系统的电磁干扰，使得其他设备或系统性能降低或不能正常工作，甚至是造成武器自爆、人员伤害等严重事故。

　　由于海上无线电通信的特点、舰船上天线的特殊安装条件和使用条件，决定了舰船用天线的基本要求。舰船用天线的辐射场由于天线周围金属构件被激励和二次辐射，而形成一个复杂的相干场，方向图则有多瓣的特性。在水平面和垂直面内的通信线路的方向取决于舰船和海岸无线电台的相对位置，以及无线电波传播的条件。对于舰船所有可能的位置，无线电波传播的条件，以及舰船用天线方向图的估算是一个统计问题。为了保证舰船用天线在可以接收的条件下工作，从尽可能减小周围金属构件对天线的影响以及相互影响的观点考虑，应尽量把不同的天线安装在不同地方，同时用高频屏蔽电缆把天线与发射机相连。

　　目前天线目前大部分舰艇的短波通信天线都是垂直地面放置(航母上的部分天线为了飞机降落也会采用水平放置)且附近没有金属障碍物。如辽宁舰：



　　参考美国DDG1000驱逐舰，将短波天线(4个单极子天线)平行于舰岛棱边仿真，通过HFSS仿真验证其可行性。



　　2单极子天线原理
　　已知对称偶极子的尺寸如图，当a与b远小于波长时，对称振子上只存在z方向上的



　　令振子沿z轴放置，可以证明其上的电流分布为大致为正弦分布。为：



　　由电磁场原理，对电流分布求积分即可得出矢量磁位。有：



　　于是可以求出：



　　由方向函数的定义：



　　由此可以画出对称偶极子的方向图，至于电长度有关，如下图是常用的半波偶极子天线的方向图：



　　本文仿真所用的单极子天线可以通过镜像法等效为对称偶极子天线。



　　假设在无限大理想导体表面的单极子天线辐射场计算，可以直接运用对称偶极子的计算公式，取其半空间的部分解。天线的方向图为对称偶极子的一半。


　　3短波天线与结构共型仿真案例



　　参考DDG1000的短波通信天线布置方案，4根工作频率为10MHZ的短波天线，平行于金属高层建筑的棱边布置，仿真计算最优的方向图，确定天线与棱边最优的距离。由于仿真计算量过大大，网格量达到4万左右。可以考虑使用物理光学法，能有效降低计算量。在这里将4个单极子天线的位置固定，天线的隔棱边x，y方向上的距离分别为 5 ，2meter。

　　仿真方向图


　　单根天线水平方向图：



　　双根天线水平方向图：



　　四根天线水平面方向图：



　　四根天线3D方向图：



　　分析与结论
　　可以看到当单根天线时，由于金属物体对电磁波的反射作用，天线背向增益较小(几乎没有)
　　随着天线根数的增多，背向辐射增强
　　当天线根数达到4根时，背向辐射最强，初步满足全向性的要求

　　参考DDG1000的短波天线布置方案，初步验证的短波天线与结构共型的可行性


转自：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... 9gDO2gHfeLkZ5meb#rd