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通信天線電子自穩(wěn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
為了解決艦艇縱橫搖對(duì)通信天線的影響，設(shè)計(jì)出了一種通信天線電子自穩(wěn)系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)的電子自穩(wěn)原理，給出了通信天線相位值的計(jì)算過程和電子自穩(wěn)過程。
0 引 言
艦艇在海面上因受到風(fēng)浪的作用而產(chǎn)生搖擺運(yùn)動(dòng)，為了保證艦載通信天線的高增益，艦載通信天線的波束俯仰方向很窄，艦載通信天線隨同艦艇搖擺， 就會(huì)使艦載天線增益急劇下降，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，因安裝于艦艇平臺(tái)。
通信設(shè)備在設(shè)計(jì)與使用過程中， 必須考慮艦艇縱橫搖的影響，并進(jìn)行天線波束穩(wěn)定，這是艦用設(shè)備與岸基設(shè)備的顯著差別之一。對(duì)這種影響的分析、研究已運(yùn)用于雷達(dá)、電子戰(zhàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中[1-3]。
艦艇通信天線波束的穩(wěn)定方法大致分為機(jī)械穩(wěn)定、電子穩(wěn)定兩種。傳統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴且易出故障，故目前的通用做法是取消笨重的機(jī)械平臺(tái)，在通信天線的俯仰和方位軸上進(jìn)行電子補(bǔ)償來穩(wěn)定天線的波束。
1 原 理
通信天線在零度仰角(水平面)附近的輻射特性，對(duì)于處于遠(yuǎn)場(chǎng)的，不論是海上還是空中對(duì)象的通信效果，都具有非常重要的意義。為了盡可能大的服務(wù)空域覆蓋，通常需要天線垂直面的方向圖在水平面附近上半空間具有盡可能大的輻射強(qiáng)度，同時(shí)，為了減少由海面反射造成的多徑干涉效應(yīng)，又需要盡量減少水平面附近下半空間的輻射強(qiáng)度。
因此，天線的垂直方向圖在水平面附近，應(yīng)該具有盡可能大的場(chǎng)強(qiáng)斜率，以滿足這個(gè)方向圖的要求。然而過于陡峭的場(chǎng)強(qiáng)斜率，會(huì)對(duì)艦船載體的搖擺很敏感，即艦船向某側(cè)傾斜時(shí)，其相反方向上原本指向水平面以下的。
很低場(chǎng)強(qiáng)的方向圖將指向空中，造成相應(yīng)覆蓋區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)大幅度下降，從而大大縮短了有效覆蓋的作用距離，使遠(yuǎn)場(chǎng)通信對(duì)象無法有效通信。
艦艇在風(fēng)速3～4級(jí)的海況下，最大搖擺幅度將達(dá)到±15?左右。在這種情況下射向水平面以下的部分射頻場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)，并通過海面形成反射波，它與直射波將發(fā)生多徑信號(hào)疊加。
由于海水的良好導(dǎo)電性，反射波衰減很小，其幅度與直射波幅度具有較大可比擬性，因此對(duì)直射波形成較強(qiáng)的多徑干涉現(xiàn)象。
使海面附近上半空間的直射波與反射波合成方向圖隨仰角變化形成一系列柵瓣-零陷分布，將會(huì)造成遠(yuǎn)場(chǎng)通信對(duì)象通信概率的下降。
電子穩(wěn)定技術(shù)就是根據(jù)大地坐標(biāo)系(靜坐標(biāo)系)與天線陣面坐標(biāo)系(動(dòng)坐標(biāo)系)之間的關(guān)系，波控控制單元在計(jì)算移相器的移相值前，對(duì)天線陣面坐標(biāo)系下的俯仰角、方位角進(jìn)行補(bǔ)償，這就涉及多個(gè)坐標(biāo)系變換問題。
本通信系統(tǒng)采用電子自穩(wěn)來穩(wěn)定波束，天線電子自穩(wěn)系統(tǒng)由角傳感器、波束控制單元、相控陣天線組成，通信天線自穩(wěn)系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
該通信天線電子自穩(wěn)系統(tǒng)是一種基于相控陣原理的電子穩(wěn)定天線，艦船搖擺時(shí)，天線內(nèi)置的傾角傳感器量化搖擺矢量，并通過處理器轉(zhuǎn)換成相位變化信號(hào)來控制天線各輻射單元的相位。
從而改變天線不同方位上輻射波束的俯仰指向，綜合形成相對(duì)于海平面平穩(wěn)的方向圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)作用空域的穩(wěn)定連續(xù)覆蓋，其核心是相位值的計(jì)算。
2 相位值計(jì)算過程
相位計(jì)算是根據(jù)大地坐標(biāo)系(靜坐標(biāo)系)與天線陣面坐標(biāo)系(動(dòng)坐標(biāo)系)之間的關(guān)系，把搖擺角度轉(zhuǎn)換成天線陣面坐標(biāo)系下的俯仰角與方位角的相位補(bǔ)償。
這就涉及多個(gè)坐標(biāo)系變換問題，角傳感器為波束控制單元提供的艦船姿態(tài)角信息主要有橫搖角、縱搖角、航向角，其符號(hào)及方向規(guī)定如下：
(1)H-航向角，艦船首尾線在水平面投影相對(duì)正北的轉(zhuǎn)角，順時(shí)針為正。
(2)P-縱搖角，艦船首尾線相對(duì)水平面的轉(zhuǎn)角，艦首抬起為正。
(3)R-橫搖角，繞艦船首尾線相對(duì)水平面的轉(zhuǎn)角，左弦抬起為正。
(4)A-傾斜角，天線陣面所在的x， y平面向后傾斜的角度。(一般天線安裝好為固定值)。
2.1 航向角的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
航向角的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(x軸指向地理北，y軸指向地理西，z軸鉛垂向上，軸xyz構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系) 。圖2所示的航向角變化圖表示航向角沿坐標(biāo)軸Z旋轉(zhuǎn)H角，地理坐標(biāo)M(x，y，z)到新甲板坐標(biāo)M1(x1，y1，z1)，即(x，y，z)→(x1，y1，z1)。
通過如上一系列推導(dǎo)，把船的搖擺角換算成對(duì)應(yīng)天線波控?cái)?shù)據(jù)表存入波束控制單元，實(shí)際工作時(shí)調(diào)天線波控?cái)?shù)據(jù)表來實(shí)時(shí)控制天線波束。
3 天線電子自穩(wěn)過程
角傳感器感應(yīng)到艦船搖擺角度值，角傳感器把船搖擺角度值實(shí)時(shí)發(fā)送給波束控制單元，波束控制單元根據(jù)船搖擺角調(diào)用天線波控?cái)?shù)據(jù)表，天線根據(jù)天線波控?cái)?shù)據(jù)表來實(shí)時(shí)控制天線波束以補(bǔ)償艦船搖擺。
4 結(jié) 語
本文介紹了通信天線電子自穩(wěn)系統(tǒng)原理，對(duì)電子穩(wěn)定方程進(jìn)行了細(xì)致推導(dǎo)，推導(dǎo)出了電子穩(wěn)定方程，經(jīng)過測(cè)試，通信天線電子自穩(wěn)系統(tǒng)通過波控修正，保證波束指向的穩(wěn)定性，滿足通信系統(tǒng)的作戰(zhàn)需求。
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