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２０１９年０４月／ Ａｐｒｉｌ ２０１９
nvironmental Testing
E
安徽新长江投资集团
环境试验
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Complexity of shortwave electromagnetic environment on warship formation is closely related to the number of ships and the disposition of formation, which can be attributed by the antennas isolation. In this paper, hybrid integral equation method based on multi-level fast multipole technique is carried to calculate the isolation of the short-wave antennas mounted on the warship formation. In detail, the magnetic field integral equation and the electric field integral equation are used to calculate the hull and short-wave antennas of the warship formation respectively. It can be concluded that the change tendency of isolation curve is close and the isolation increases in oscillation as the frequency and distance between ships increase. In addition, obstruct effect from overtop structure on ships makes great effect on the isolation between short wave antennas on warship formati
on. The research work in this paper lays a foundation for the study of complex electromagnetic environmental effects of warship formation.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：warship formation；short wave antenna；electromagnetic environment；isolation；hybrid integral equation
摘要：舰艇编队短波电磁环境复杂度与编队舰艇数量及其队形配置密切相关，工程上可用短波收发天线间的隔离度予以表征。基于多层快速多极子算法的混合积分方程方法，本文采用在鞭状天线表面建立电场积分方程，同时在舰艇壳体金属表面建立磁场积分方程的方法，详细计算了舰艇编队短波天线间的隔离度参数。结果表明，舰艇编队短波天线隔离度随频率和舰间距的增加而整体振荡增加；上层建筑等金属体的遮挡对舰艇编队短波电磁环境的影响起主要作用，本文的研究工作可为海战场舰艇编队复杂电磁环境效应研究奠定基础。关键词：舰艇编队；短波天线；电磁环境；隔离度；混合积分方程方法 中图分类号：ＴＧ１４７ 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2019)02-0053-03
基于混合积分方程方法的舰艇编队短波电磁环境分析研究
Analysis on Electromagnetic Environment of Short Wave Antennas on Warship
深圳长城光纤
tmis
Formation Based on Hybrid Integral Equation
石昕阳1,2，王彦碧1,2，江传华1,2
（1.武汉船舶通信研究所，武汉430205;
2.中国船舶重工集团公司第七二二研究所，武汉430205）
SHI Xin-yang 1,2，WANG Yan-bi 1,2，JIANG Chuan-hua 1,2
(1. Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan 430205;
2.China Shipbuilding Industry Corporation No.722 Research Institute , Wuhan 430205)
引言
现代海战是基于网络中心化的舰艇编队电磁频谱作战，舰艇编队短波电磁环境的优劣直接影响舰艇编队电磁频谱作战效能的发挥。舰艇编队短波电磁环境问题可归结为多种构型特电大尺寸目标的电磁散射和辐射问
题。短波收发天线间隔离度可以用来定量表征短波电磁环境的复杂度。本文采用基于多层快速多极子
的改进算法即混合积分方程方法，对舰艇编队短波天线隔离度参数进行了详细地仿真分析。
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环境技术/Environmental Technology
长春304案件环境试验
nvironmental Testing
E
１ 隔离度的数学模型
短波天线隔离度参数反映了短波天线电磁环境复杂度，隔离度越大，耦合越小，则电磁环境复杂度越小，反之亦然。隔离度仅与收发天线的工作频率、物理尺寸、天线间距以及收发天线所处的物理空间相关。在自由空间条件下，天线的远场隔离度可以由公式（１）计算：
2
2214()[(,)(,)]t t r t r r
P r L G G F F P πθφθφλ−=
= （１）
式中，Ｌ为隔离度；r 为天线间距；λ为波长；t P 和
r P 分别为发射天线输出功率和接收天线的输入功率，t
G 和r G 分别为天线的增益，),(φθt F 和),(φθr F 为天线归一化方向图函数。当考虑安装平台对短波天线电磁环境的影响时，需利用计算电磁学方法，如基于多层快速多极子的混合积分方程方法，精确修正天线隔离度模型。
２ 混合积分方程方法
采用混合积分方程方法求解舰艇编队短波天线隔离度，可将整个求解区域分为短波鞭状天线表面和舰艇金属表面两个部分。在短波鞭状天线表面Ｓ１上建立电场积分方程，在舰艇金属表面Ｓ２上建立磁场积分方程，混合迭代求解天线和金属结构物表面电流，从而求解场强和天线隔离度值。图１所示，为两艘舰艇组成的舰艇编队示意图。经推导，混合积分方程的迭代关系式如下：
（２）2211222{I }[]{I }[E]{I }Z Z =++
（３）
上两式的收敛快慢由1I 求解2I 的迭代过程以及1I 和
2I 相互作用的迭代过程决定。前者由描述舰艇编队舰船
船体金属表面的磁场方程而定，后者由短波鞭状天线和舰船船体相互作用强弱决定。1I 和2I 求出后，即可求解方向图函数，从而求出隔离度参数。
３ 隔离度计算与分析
下面利用混合积分方程方法，对舰艇编队在不同舰间距、天线布置方案条件下的短波天线隔离度进行计算。
假设图１中ａ舰和ｂ舰舰型完全相同，ｂ舰艉的短波天线作发射天线，ａ舰舰艉的短波天线作接收天线（简称编队（Ｉ））。相反，若ａ舰舰艉的短波天线作发射天线，ｂ
舰舰艉的短波天线作接收天线（称为编队（ＩＩ））。图２和图３分别给出了不同舰间距Ｌ条件下的编队（Ｉ）和编队（ＩＩ）短波收发天线隔离度随频率变化曲线。
由图２可见，在不同的舰间距下，编队（Ｉ）短波天线的隔离度曲线的变化趋势相近，隔离度值随频率的增
加而振荡增加。随着舰间距的增大，隔离度整体增大，
图1 两艘舰艇组成的舰艇编队示意图图2 编队（I）短波天线隔离度随频率变化曲线
图
3 编队（II）短波天线隔离度随频率变化曲线
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nvironmental Testing
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环境试验
天然气工业杂志舰间距(m)
频率(MHz)
200500 1 000 1 500 2 00030.95-1.23-2.40-2.85-2.97614.3611.269.969.1759.38922.8219.9718.5216.6417.331216.4513.8312.6812.0911.801520.3416.8814.0812.8213.351816.8214.1111.9811.9611.662111.989.57
8.08百元美容针卖千元
7.57
6.73
24-5.18-13.63-12.75-17.28-13.062711.79 3.13 1.250.250.1030
2.65
6.82
5.78
2.87
-1.47
表1 舰艇编队上层建筑的遮挡效应对短波电磁环境（隔离度）的影响（单位：dB）[1] IBATOULLINE E A. The Antennas on a Mobile Board and Their Electromagnetic Compatibility [J] .IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility， 2003，2（45）：119-124.[2] HODGES R E, RAHMAT-SAMMI Y. An Iterative Current-based Hybrid Method for Complex Structures[J].IEEE Trans. Antennas
Propagat.1997, 2（45）:265－276.
[3] WEN D E, CUI T J, LU W B. The Far-field Radiation Characteristics of Dipole Antennas in Front of Conducting
Bodies[A]．HOU Dong-yun,YU Jing.Proceeding of 2008 International Symposium on Electromagnetic Compatibility Technology[C],Wuhan China,2008：130-133.
[4]赵刚.信息化时代武器装备电磁兼容技术发展趋势[J]. 舰船电子工程, 2007, 27(1):20-22.
[5] IBATOULLINE E A. The antennas on a mobile board and their electromagnetic compatibility[J].Electromagnetic Compatibility，IEEE Transaction on, 2003，2（45）：119-124.[6]胡俊.三维电大目标散射求解的多层快速多极子方法[J].电波科学学报，2004.
参考文献：
作者简介：
石昕阳(1985－)，男，湖北黄梅人，工学硕士，工程师，研究方向：复杂电磁环境效应仿真及测试验证。
短波电磁环境复杂度高。由图还可以看出，在较高频段，舰艇编队短波天线隔离度对舰间距的因素不太敏感，即此时短波电磁环境复杂度变化不大；在较低频段和中间频段，隔离度对舰间距的影响敏感，即此时短波电磁环境复杂度变化幅度大。由图３可知，编队（ＩＩ）与编队（Ｉ）的隔离度变化曲线有着类似的性质。
经比较分析可知，编队（Ｉ）短波天线隔离度整体大于编队（ＩＩ）主要原因在于：一是由于两艘舰上层建筑的影响，编队（Ｉ）短波天线之间存在金属物体的遮挡效应；二是编队（Ｉ）的收发天线间距较大。其中，第一个原因起主导作用，这是因为在舰艇编队条件下，舰舰间距较大（通常为几百米
、甚至上千米），短波收发天线互相在对方的远场区，因此两型编队天线之间的间距差异对天线之间的隔离度特性影响是次要的。
为了详细地分析舰艇编队上层建筑的遮挡效应对短波电磁环境复杂度的影响，下表１列出了编队（Ｉ）和编队（ＩＩ）在相同频率、不同舰间距条件下的隔离度差值。由表１可以看出，在整个短波频段内，舰艇编队上层建筑的遮挡作用是很明显的，隔离度差值大多在９ ｄＢ 以上，最高甚至可达２０ ｄＢ。
４ 结语
本文采用了混合积分方程方法，通过计算舰艇编队短波收发天线间的隔离度参数，研究了短波电磁环境复杂度。研究结果表明，舰艇编队短波收发天线的隔离度曲线的变化趋势相近，隔离度值随频率和舰间距的增加而整体振荡增加，短波电磁环境复杂度也整体偏高。舰船上层建筑等金属体的遮挡作用对舰艇编队短波电磁环境复杂度的影响起主要作用，本文的研究工作可以为海战场舰艇编队复杂电磁环境效应研究奠定基础
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