可控定向天线在远程通信上的应用

张 勇 侯小鹏

(1.海军驻大连426厂军事代表室 大连 116005)(2.中国舰船研究设计中心 武汉 430064)

可控定向天线在远程通信上的应用

张 勇1侯小鹏2

(1.海军驻大连426厂军事代表室 大连 116005)(2.中国舰船研究设计中心 武汉 430064)

对于定向天线与随动系统分别进行了简要介绍,阐述了两者的优点与特性,提出将定向天线与随动系统相结合而得到可控定向天线的想法。并分析了在舰船上建立可控定向天线的可行性,阐明了为满足高精度探测与控制上的需求,天线选择卡塞格伦天线,控制方式上为自适应逆控制(AIC)与PID控制相结合的复合控制。同时结合软件上的加密技术、变频技术,可以满足远程目指及远程控制的实现,同时也对卡塞格伦天线和自适应逆控制(AIC)与PID控制相结合的复合控制进行了相应的概念及原理上的介绍。

定向天线; 卡塞格伦天线; 远程通信

Class Number E967.3

1 引言

现代战争的一个重要的特征就是情报共享以及远程遥控、远程目指等,情报共享不仅仅是局限于指编队之间,更为广泛的是指海陆空三军之间的情报共享；远程遥控是指利用无线通信技术指挥侦察机、预警机的运动轨迹的一种控制方式；远程目指是指给远距离舰船下达打击特定目标的能力。这些功能上的实现一个共同点就是利用无线通讯技术,而定向无线通讯则是其实现的一种方式。天线对于舰船来说是至关重要的,它就像是舰船的眼睛和耳朵[1],从警戒设备到火炮系统,无不伴随着各种天线的使用,而定向天线则使用的频率最高。

2 基本概念

2.1 定向天线的基本概念及参数

定向天线是指在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强,而在其它的方向上发射及接收电磁波则为零或极小的一种天线[2]。采用定向发射天线的目的是增加辐射功率的有效利用率,增加保密性；采用定向接收天线的主要目的是增加抗干扰能力。定向天线有三个重要的参数,下面分别做出介绍：

1) 天线的方向性：通常一副天线向各个方向辐射电磁波的能力是不同的,它沿各个方向辐射电磁能量的强弱可用天线的方向系数来表示。所谓天线的方向系数是指在某点产生相等电场强度的条件下,无方向性天线总辐射功率PF0与定向天线总辐射功率PF的比值,常用“D”来表示,即

(1)

2) 天线增益：所谓天线增益是指天线将发射功率往某一指定方向发射的能力。天线增益定义为：取定向天线主射方向上的某一点,在该点场强保持不变的情况下,此时用无方向性天线发射时天线所需的输入功率Pi0,与采用定向天线时所需的输入功率Pi之比称为天线增益,常用“G”表示。即

(2)

3) 天线的效率：天线本身是一种无源器件,就其对传输而言存在一定的损耗。这种损耗通常用天线的效率来衡量。所谓天线效率就是指天线的辐射功率PF与输入功率Pi之比。常用“η”来表示,即[3～5]

(3)

2.2 随动系统基本概念

对于反馈控制系统来说,如果其输入信号为一任意的时间函数,其变化规律无法预先确定,而且输入信号作用于系统之后,要求系统输出能准确复现该输入信号时,将承受这类输入信号的反馈控制系统称为随动系统。随动系统又称为伺服系统,在自动控制系统中,随动系统的输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化[6]。快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。

2.3 可控定向通讯天线

可控定向通讯天线就是运用随动系统,调用软件的相关功能,自动调整天线到指定方位与仰角上的一个系统。它有效地将随动系统的灵活性与定向天线系统的可靠、传输距离远、抗干扰能力强等特性结合起来,达到可靠准确通讯的目的。

3 可控定向通讯天线在舰船上的建立

定向天线的特征是在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强,而在其它的方向上发射及接收电磁波则为零或极小。采用定向发射天线的目的是增加辐射功率的有效利用率,增加数据保密性；采用定向接收天线的主要目的是增加抗干扰能力。然而保密性与抗干扰性只是其天生所带来的硬件上的能力,当在软件上与加密技术、变频技术相结合后,其数据保密能力及抗干扰能力将是很强大的。

定向天线在现代舰船上有着广泛的使用,如各种警戒雷达,它们的主要特性就是随着天线固定周期地转动而搜索目标,搜索方位广且定位准确。

如果将警戒雷达与通信系统结合起来,利用雷达的搜索范围广的特性,进行固定方位通信,则不失为一种稳妥的远程通信方式。

[1]对于定向天线,可以选择卡塞格伦天线,它是从抛物线演变而来的。卡塞格伦天线由三部分组成,即主反射器、副反射器和辐射源。其中主反射器为旋转抛物面,副反射面为旋转双曲面。在结构上,双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重合,双曲面焦轴与抛物面的焦轴重合,而辐射源位于双曲面的另一焦点上,如下图所示。它是由副反射器对辐射源发出的电磁波进行的一次反射,将电磁波反射到主反射器上,然后再经主反射器反射后获得方向上的平面波波束,以实现定向发射[7]。

图1 卡塞格伦天线工作原理

卡塞格伦天线相对于抛物面天线来讲,它将馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式,这使天线的结构较为紧凑,制作起来也比较方便。另外卡塞格伦天线可等效为具有长焦距的抛物面天线,而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各点的距离接近于常数,因而空间衰耗对馈电器辐射的影响要小,使得卡塞格伦天线的效率比标准抛物面天线要高[8]。

固定式定向通讯要求发射天线与接受天线处于一角度范围内,才能达到较好的通讯能力。由于舰船是一种移动式系统,随着舰船的移动,必然要求随时修正天线的高低角及方位角以适应所通讯的目标；另一种情况是在已知目标的方位及高度的情况下,要与此特定目标进行通信,就要求将天线调整到此目标方位上,才能达到较好的通讯。上面两种情况说明,期望远程通讯能够拥有一种能够通过输入方位角、俯仰角来指挥并固定其通讯方向的能力,即需要带有随动系统。

为了达到精确的控制目的,可采用自适应逆控制(AIC)与PID控制相结合的复合控制,自适应逆控制用被控对象传递函数的逆作为串联控制器来对系统的动态特性作开环控制,从而避免了因反馈而可能引起的不稳定问题；同时又能做到对系统动态特性的控制与对象扰动的控制分开处理而不互相影响,它对单输入单输出、多输入多输出、线性、非线性、复杂的不确定性系统都有较好的控制效果[9]。

图2 一种能在线和离线训练的自适应逆控制

图2为一种模型参考AIC结构,它采用两个相同长度的FIR滤波器,分别完成对象及其逆的识别。

在AIC系统中,由于对象本身的结构和延迟环节的引入可能导致稳态误差的增大,采用常规PID控制与AIC相结合可减少稳态误差[10]。

在硬件上采用卡塞格伦天线与复合控制方式的随动系统,并且结合软件上加密技术、变频技术,可以满足远程目指及远程控制的实现,当然这种通讯能力上的提高得依赖于雷达探测距离能力的提高,此技术在舰船上已经有应用,如敌我识别器,它就是将雷达系统与通讯系统结合起来,通过加密技术与跳频技术的结合,实现远距离通讯,但它未能实现角度可控,它只是简单地利用雷达的全方位搜索能力而进行通讯,当然这也与其功能息息相关,还有火控雷达,它是通过随动系统的控制而调整到需要的方位角度及高低角,在此方向上搜索目标。通过这两个实际系统的成功使用,我们有理由认为,可控定向通讯在目前的技术条件下完全有能力实现,将警戒探测设备与通讯系统结合起来使用时,其通信的能力将得到一个很大的提高。

4 展望

随着情报共享概念的提出,可以看到未来的战争模式将是信息的战争。充分融合海陆空三军的情报,实现三军的各自优势,达到一体化作战效果,这是很理想的一种作战方式。情报共享不仅仅局限于编队之间,更重要的是三军之间的情报共享以及范围更广的盟军之间的情报共享,如何做到稳妥的通讯方式是首要考虑的问题,在卫星通讯中断时必须有一种替代的方式以便维持这种通讯,本文提出的可控定向通讯结合了定向通讯与随动系统的两者的优势,具有通信距离上的优势,同时又具有可控性,因此可以被应用在舰船通讯上。

5 结语

在登月计划中,定向天线完美地被用来进行月球与地球之间的通讯,其成功的运用可以说是为我们在舰船上建立定向通讯提供了先例。利用可控定向天线的独特优势,结合软件中的加密技术及变频技术,可以说这应该是除卫星通讯外,比较稳妥的一种通讯方式。

[1] 杨明月.基于定向天线的数据链自组织网络技术研究[D].西安:西安电子科技大学硕士学位论文,2011.

[2] 王维,李颖,李洪生.基于定向天线的移动自组织路由协议研究[J].通信技术,2010(7):7-9.

[3] 常媛媛.八木天线的设计仿真与测试[D].北京:北京交通大学硕士学位论文,2006.

[4] 齐恩杰.网状反射面天线电性能分析及影响因素研究[D].西安:西安电子科技大学硕士学位论文,2009.

[5] 刘大勇.宽带定向天线的优化设计与测量方法研究[D].长春:吉林大学硕士学位论文,2009.

[6] 蒋乐涛.某型数字化随动系统分析及其调测系统设计[D].南京:南京理工大学硕士学位论文,2008.

[7] 冯涛.极化扭转卡塞格伦天线研究[D].西安:西安电子科技大学硕士学位论文,2009.

[8] 钱嵩松.毫米波三波束卡塞格伦天线设计[D].西安:西安电子科技大学硕士学位论文,2009.

[9] 解淑英.自适应逆控制及其应用研究[D].济南:山东大学硕士学位论文,2007(4):13-17.

[10] 韩华,基于LMS算法的自适应逆控制方法研究[D].长沙:中南大学博士学位论文,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

张勇,男,高级工程师,研究方向：舰载电子信息。侯小鹏,男,硕士研究生,工程师,研究方向：舰载电子信息。

E967.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.016