一种电磁引信收发天线组合配置方式

王 玮, 朱 健



一种电磁引信收发天线组合配置方式

王 玮, 朱 健

(中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西西安, 710075)

为寻找一种沿着鱼雷纵轴具有轴向指向性的鱼雷电磁引信, 分析了采用垂直发射的收发天线配置方式,通过简化模型计算反射场, 给出了接收指向性图, 结合不同配置方式的特点, 提出了一种垂直/平行组合配置方式, 从而改善了接收指向性。该方式可满足反潜/反舰所需动作区域的要求, 为进一步的目标信号分析提供参考。

电磁引信; 收发天线

0 引言

对于鱼雷主动电磁引信而言, 鱼雷与目标信道之间的传递是借助于电磁物理场来实现的。收发天线是其中电磁场转换的敏感元件, 因此, 采用不同的收发天线及配置方式将影响到引信系统的性能及可靠性。

在电磁引信设计中, 收发天线的配置方式有平行、垂直及十字形等多种, 辐射天线采取垂直发射或水平发射。通常根据总体战技要求, 采用单一或组合配置方式满足所需工况下的动作区域。在文献[1]中对收发天线的一些典型配置方式进行了分析, 本文结合鱼雷的结构形式及工程应用, 详细分析了采用垂直发射下的配置方式, 通过简化模型计算反射场, 给出指向性图, 并分析该配置方式的特点。通过2种不同的配置方式形成一种全向鱼雷电磁引信收发天线组合配置, 改善了接收指向性, 可满足反潜/反舰所需动作区域要求。

1 收发天线设计基本要求

主动电磁引信的收发天线设计通常需结合配用鱼雷的作战使命、结构特性、引信作用距离的要求及信号处理技术的水平综合进行。

收发天线的主要技术特征有接收灵敏度、辐射磁矩、指向性等。通常在收发天线的设计上需考虑以下问题: 1) 为降低接收目标信号的背景噪声, 接收天线与发射天线间的直接耦合应最小; 2) 对目标反射信号具有最大的接收能力; 3) 接收发射天线在反射场内应具有配用鱼雷的作战使命所要求的指向性, 在探测目标的全部距离范围内应没有盲区; 4) 具有合适的外形尺寸。

在设计中, 除了以上基本指标外, 为了取得更高的信噪比、降低由于收发天线引起的误动概率, 还需兼顾考虑发射天线和接收天线的匹配、鱼雷自身的振动、直达场干扰的对消处理、对抗外部的电磁干扰和主动无线电电磁场辐射及传导抗干扰等问题。主动电磁引信的动作区域性取决于收发天线的配置方式。

2 垂直辐射下配置方式

由于海水中电磁场的衰减很大, 目前在水中兵器的应用方面, 仅用来作近炸引信的控制场。当磁偶极子辐射低频电磁场的波长, 比偶极子与反射面之间的距离大得多时, 磁偶极子辐射电磁波为球面电磁波。为使问题简化, 将目标对电磁波的反射视为无限大理想导体界面反射, 通过镜像法计算反射场, 特作如下假设: 1) 略去电磁波在海水中的传播衰减和相移; 2) 理想镜面反射, 略去电磁波由海水-钢制界面的反射系数和相移; 3) 略去鱼雷壳体对接收、发射的屏蔽影响。对于以上假设, 在收发天线具体的工程计算中加入相应的衰减系数、反射系数、屏蔽系数等修正即可。

在鱼雷电磁引信中, 与目标舰船的体积及雷目距离相比, 收发天线的尺寸可忽略不计, 因此辐射天线辐射场可等效为磁偶极子辐射场。

以下着重分析一种垂直辐射下的电磁引信收发天线组合配置方式。

2.1 垂直辐射下平行配置方式

由于接收天线()、与辐射天线()轴线相互平行, 属于平行配置, 如图1所示。在此平行配置中, 辐射场径向分量与正交, 不必考虑径向分量的影响。当鱼雷有横倾角时, 将镜像场源分解为cos,sin, 无论cos或sin, 只有它们辐射磁场的轴向分量才能被接收。

1)cos分量在轴线方向上接收处场强

2)sin分量在轴线方向上接收处场强

(2)

3) 接收总磁场

式中:为引信作用距离;为波源置观测点的距离;为空气或海水导磁率;为辐射磁矩;为收发天线间距;为鱼雷横倾角。

由上式看出, 当8=时, 在0°, 180°出现盲区。与的关系, 即在不同作用距离上垂直鱼雷纵轴面上接收指向性图见图2所示。

接收线圈与辐射线圈平行, 理论上直达场为

从以上分析可以看出, 该结构形式形成的配置方式有如下特点:1) 收发天线初始值不为0, 采取长间距, 可降低直达场的干扰, 或采用对消技术; 2) 接收辐射磁偶极子场的轴向分量, 大于径向分量; 3) 在收发天线间距一定时, 接收指向性与雷目交会距离有关,在某些位置上存在死区, 并且指向性是不均匀的, 将造成不同方位作用距离略有差异, 理论上在反潜、反舰工况下均不可以单独应用。因此在工程设计中, 需要根据战技指标, 做为其他配置方式下的补充配置。通过参数设计以达到需要的动作区域。

图2 不同作用距离上垂直鱼雷纵轴平面接收指向性图

Fig. 2 Receiving directivity chart of plane at vertical torpedo′s longitudinal axes in different distance

2.2 垂直辐射下垂直配置方式

接收天线()与辐射天线)轴线相互垂直, 属于垂直配置。当鱼雷有横倾角时, 镜像场源发生变化, 接收场源不发生变化。将镜像场源在平面上分解为cos和sin(见图3)。由于sin垂直于接收线圈轴线, 无论其径向分量还是轴向分量都不能被接收。对于cos分量也只有其径向分量才能被接收。

因此在接收处场强为

垂直鱼雷纵轴平面上接收指向性图如图4所示。水平接收线圈与辐射线圈由于轴线相互垂直, 理论上接收到的直达场为零。

图4 垂直鱼雷纵轴平面接收指向性图

Fig. 4 Receiving directivity chart of plane at vertical torpedo′s longitudinal axes

从以上分析可看出, 该结构形式形成的配置方式有如下特点: 1)直达场理论上为零。因为收发天线由于加工公差的累积, 没有形成完全的垂直, 因此起始值有时为负有时为正; 2)接收辐射磁偶极子场的径向分量, 小于轴向分量; 3)该结构形式形成的配置方式接收指向性只与有关, 在=90,=270时存在盲区, 因此在工程设计中, 只能用于反舰工况。

综上可知, 在电磁引信中收发天线采用垂直辐射, 水平、垂直接收组合配置方式, 可满足反舰/反潜2种工况。反舰时, 水平线圈作用, 即可满足其动作区域性; 反潜时, 由于单一平行配置下的垂直线圈, 其接收指向性在上下扇面的信号随着雷目距离的减小而收缩, 为保证周向探测, 需要通过水平线圈进行补充。

3 结束语

电磁引信收发天线采用不同的配置方式, 可获取一定的发射指向性和接收指向性。采用垂直辐射, 水平接收的垂直配置方式, 可获得反舰工况所要求的指向性。在此基础上增加垂直接收线圈, 即补充平行配置, 形成组合配置方式, 改善接收指向性, 可获得沿鱼雷纵轴360°指向性, 可满足反潜工况的探测要求。

[1] 王绍卿. 鱼雷近炸引信原理与设计[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1992.

[2] 沈哲. 鱼雷战斗部与引信技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.

[3] 陈春玉, 肖素娟. 鱼雷主动电磁引信防误动技术[J]. 鱼雷技术, 2008, 16(1): 29-32.

Chen Chun-yu, Xiao Su-juan. Anti-false Action Technology for Active Electromagnetic Fuze in Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2008, 16(1): 29-32.

[4] Fawwaz T U. 应用电磁学基础[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2007.

[5] 王玮. 电磁引信全向探测天线技术研究[R]. 中船重工集团公司第705研究所, 2011.

(责任编辑: 杨力军)

Combined Disposition Mode of Receiver-Transceiver Antenna for Electromagnetic Fuse

WANG Wei, ZHU Jian

(The 705 Research Insitute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To obtain a torpedo electromagnetic fuse with axial directivity along torpedo′s longitudinal axes, we analyze the combined disposition mode of receiver-transceiver antenna with vertical transmission, calculate the radiant electromagnetic field and the reflect electromagnetic field by a simplified model, and give a receiving directivity diagram. Furthermore, we propose a combined vertical/parallel disposition mode with the characteristics of both disposition modes to improve the receiving directivity. The proposed disposition mode can meet the requirement for anti-ship/anti- submarine action area.

electromagnetic fuse; receiver-transceiver antenna

TJ431.7

A

1673-1948(2013)06-0422-03

2013-05-13;

2013-07-12.

国防科技预先研究课题资助(1011001020201).

王 玮(1971-), 女, 高级工程师, 主要研究方向为鱼雷引信技术.