石 磊，吴苏兴，常德杰，卞美琴
(中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153)
舰载雷达多位于舰船上层建筑的顶部，此处一般集成安装有多种天线，并有桅杆和横桁遮挡，电磁环境复杂，对雷达探测性能的影响较大。本文通过仿真计算和模拟测试，分析了小桅对雷达探测性能的具体影响，提出了应对策略和改善方法，可减小雷达弱视区对探测性能的影响，对雷达的实战应用有指导意义。
1.1 模型的建立
雷达采用平面阵列天线，小桅距离天线口面约2 m，小桅高度约5 m，若采用时域(FDTD)或频域(FEM)方法进行全实物全波仿真分析，由于计算空域电尺度大，导致计算量大，仿真计算效率低。将天线等效简化为同口径的反射面天线，其波宽、副瓣、增益等性能与平面阵列相近，可采用光学法(PO/GO)或快速多极子方法进行计算，提高计算效率，仿真模型如图1所示。其中具体尺寸如下：桅杆高度5 000 mm，底部截面尺寸350 mm×350 mm，线性过度至顶部截面尺寸250 mm×250 mm，天线中心距离桅杆2 000 mm。
图1 仿真模型
1.2 仿真结果
1.2.1 金属桅杆
对金属桅杆位于天线不同位置和无金属桅杆遮挡的方向图进行仿真计算和对比，结果如表1所示。可以看出，当金属桅杆在天线±5°范围内时，方位面和俯仰面副瓣急剧抬高20 dB以上，天线增益下降2 dB以上；
在±10°～±20°范围内，方位面副瓣恶化依旧严重，抬高15 dB以上，俯仰面副瓣恢复正常，天线增益下降幅度减少至1 dB左右；
在±25°～±40°范围内，方位面副瓣抬高10 dB左右，天线增益下降在1 dB以内；
在±50°～±70°范围内，副瓣抬高小于7 dB，并在70°时恢复正常，增益恢复正常。在整个角度范围内，金属桅杆对方位面和俯仰面的波束宽度和波束指向几乎无影响。相比于方位面，俯仰面方向图恶化较小，因此只给出方位面方向图比较，如图2所示。
表1 有无金属桅杆及金属桅杆不同位置仿真结果对比
图2 有无金属桅杆方向图对比(方位面)
1.2.2 玻璃钢桅杆
天线模型完全一致，桅杆材料由金属变为玻璃钢，介电常数4.2，损耗正切0.02，桅杆外形尺寸不变，玻璃钢厚度10 cm，桅杆中空。
对玻璃钢桅杆位于天线不同位置和无玻璃钢桅杆遮挡的方向图进行仿真计算，结果如表2所示。
表2 有无玻璃钢桅杆和玻璃钢桅杆不同位置仿真结果对比
可以看出，玻璃钢桅杆对天线方向图的影响与金属桅杆类似，玻璃钢桅杆虽然具有透波性能，但在天线辐射近场区内会对电磁波产生折射，影响其远场方向图的合成，使得方向图恶化，增益下降。当桅杆远离主辐射方向时，影响逐渐变小，其方位面方向图比较如图3所示。
图3 有无介质桅杆方向图对比(方位面)
1.2.3 不同介电常数介质桅杆
仿真模型尺寸完全一致，将玻璃钢桅杆介电常数改为3.3、2.2、1.1，分别仿真桅杆0°时的方向图，结果如表3所示。可以看出，介质桅杆的介电常数对天线方向图的影响起决定性作用，介电常数越低，电磁波通过时的折射角度越小，其对辐射场的扰动越小，因此对天线方向图的影响也越小。其方位面方向图比较如图4所示。
表3 有无介质桅杆和不同介电常数介质桅杆仿真结果对比
图4 不同介电常数方位面方向图比较
2.1 模拟实验
由于大尺度电磁仿真建模是理想模型，与实际情况不可避免地存在一定差异，导致仿真结果可能不太准确。为了提高评估分析的准确性，采用木框架表面蒙金属蒙皮的方法制作1根与实际尺寸相同的模拟小桅，并架设在雷达天线转台中心2 m处，用于实测金属小桅对雷达探测性能的影响。实验平台如图5所示。
图5 模拟小桅实测试验(空白处为雷达位置)
2.2 实验结果
试验分有无模拟小桅两种情况，分别录取数十批同样航路民航机的数据做对比分析。结果表明：
(1) 即使有模拟小桅存在，雷达也并未出现完全无回波的遮蔽角；
(2) 与没有模拟小桅时相比，有模拟小桅会导致小桅方位左右约15°的扇区内目标回波幅度明显降低，威力下降约8%～20%，程度随方位变化而不同；
(3) 与没有模拟小桅时相比，有模拟小桅会导致小桅方位左右约15°的扇区内的目标出现方位展宽约1～3倍的现象，严重程度随方位变化而有所不同；
(4) 有模拟小桅存在时，上述第2、第3条的综合影响会导致小桅方位左右约15°的扇区内的目标频繁出现航迹质量下降，甚至跟丢撤批、跟偏等严重的跟踪不稳定问题。
将平面阵列天线等效为反射面天线，用光学法或快速多极子法可快速准确评估桅杆对天线辐射的影响，在舰船雷达设备布局设计时可用此方法进行仿真计算。舰船桅顶区域后部小桅虽不会导致出现舰载雷达后向探测遮蔽角，但依然会使雷达在舰船后向约±15°探测区域内出现威力下降、方位展宽及严重的跟踪不稳定问题。因此，在舰船设计时，应尽量采用透波性好、介电常数低(小于3)的非金属材料(如玻璃钢等)制作桅顶区域后部小桅，在条件允许的范围内尽量加大后部小桅与雷达天线之间的距离，以尽可能降低桅顶区域后部小桅对雷达后向探测性能的不利影响。
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