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        多波束及其在無人機(jī)上的應(yīng)用

        2014-03-23 08:55:44劍,張
        航天電子對抗 2014年2期
        關(guān)鍵詞:輻射功率干擾機(jī)電子戰(zhàn)

        韓 劍,張 杰

        (電子信息控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610036)

        0 引言

        無人機(jī)用于電子戰(zhàn)是軍用無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要分支,已越來越引起人們的關(guān)注。但由于相控陣?yán)走_(dá)特別是有源相控陣?yán)走_(dá)的廣泛使用,無人機(jī)面臨著新的威脅,這就對無人機(jī)電子戰(zhàn)設(shè)備提出了更高的要求,比如要具有瞬時寬空域截獲能力、足夠?qū)挼乃矔r接收頻帶、更高的靈敏度(提高10dB以上)、更高的干擾功率以及更強(qiáng)的多目標(biāo)干擾能力。多波束技術(shù)對相控陣?yán)走_(dá)具有較好的適應(yīng)能力,能較好地滿足以上要求。

        1 多波束原理及適應(yīng)能力

        1.1 多波束原理及實(shí)現(xiàn)

        電子戰(zhàn)中多波束主要由透鏡方式實(shí)現(xiàn),其在車載和艦載電子戰(zhàn)設(shè)備中已有使用。常見的透鏡有Rotman透鏡、Bootlace透鏡、R-KR透鏡、龍伯透鏡等。這些多波束透鏡的原理基本相似。

        Rotman透鏡的原理見圖1。Rotman透鏡兩端分別為饋電弧和聚焦弧。饋電弧上分布波束口,聚焦弧上分布陣元口。陣元口通過等相位電纜與直線陣上各陣元相連。當(dāng)從某一波束口饋電時,電磁波在透鏡內(nèi)傳播,到達(dá)陣元口后,再沿等相位電纜傳輸?shù)礁麝囋稀S捎谕哥R的聚焦作用,將在某一方位上形成等波程面。在與等波程面垂直的方向上就形成了需要的波束。選擇不同的波束口,就在不同的方向上形成需要的波束。

        圖1 Rotman透鏡原理圖

        作為發(fā)射陣使用時,在透鏡的陣元口和直線陣之間接上相位一致的功率放大器,就可以在空間合成大的等效輻射功率。作為接收陣使用時,在每個透鏡波束口接上接收通道,可以同時得到多個接收波束。

        可以看出,多波束技術(shù)本質(zhì)上是一種相控陣技術(shù),只不過是一種特殊形式的實(shí)延時相控陣。

        以上介紹的是一維多波束,它形成的是扇形波束。除此之外,還有形成筆形波束的二維多波束,分為透鏡陣列和二維透鏡兩種。

        1.2 多波束的適應(yīng)能力

        1.2.1 多波束對相控陣?yán)走_(dá)信號適應(yīng)能力

        1)空域截獲能力

        多波束天線陣具有寬的視場角,可同時產(chǎn)生多個波束覆蓋威脅空域,如方位±45°的范圍。只要相控陣?yán)走_(dá)在該視場范圍內(nèi),不管它如何靈活地掃描,都可以被偵收,如圖2所示。這大大提高了對相控雷達(dá)信號的截獲能力,解決了一般窄波束電子戰(zhàn)系統(tǒng)對相控陣?yán)走_(dá)信號的接收難題。

        圖2 多波束空域截獲能力示意圖

        2)帶寬適應(yīng)能力

        透鏡采用實(shí)延時技術(shù),無色散,不會出現(xiàn)普通相控陣干擾機(jī)中波束指向和頻率耦合的現(xiàn)象,波束指向帶寬達(dá)數(shù)吉赫茲。對于常見的2~6GHz、6~18GHz這樣寬的頻率范圍,波束指向不隨頻率變化,可適應(yīng)相控陣?yán)走_(dá)中的頻率捷變、掩護(hù)脈沖的信號形式和寬帶脈內(nèi)調(diào)制。如,機(jī)載AESA雷達(dá)在4GHz頻率范圍內(nèi)捷變時,多波束干擾機(jī)的波束仍可有效接收。

        3)高靈敏度接收能力

        多波束天線陣每一波束都具有天線陣全部孔徑增益的能力。多波束接收天線增益相對于相同覆蓋空域的寬波束接收天線可提高15dB左右。這大大提高的系統(tǒng)靈敏度,對采用功率管理的相控陣?yán)走_(dá)信號有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,如圖3所示。如果在直線陣和透鏡陣元口之間增加相位一致性低噪聲放大器,可進(jìn)一步提高多波束接收系統(tǒng)的靈敏度。

        3 多波束天線接收AESA雷達(dá)信號示意圖

        4)干擾功率合成能力

        多波束發(fā)射機(jī)干擾功率空間合成,等效輻射功率大。這主要有兩方面的原因:分布式發(fā)射機(jī)由多個小發(fā)射機(jī)構(gòu)成,發(fā)射總功率為陣元數(shù)與單個小發(fā)射機(jī)功率的乘積,發(fā)射總功率大;天線陣口面大,天線陣增益高。此外,分布式發(fā)射陣減少了在集中式發(fā)射機(jī)中輸出信號傳輸?shù)教炀€陣面的所有損耗環(huán)節(jié),包括功率分配器、移相器及其他傳輸線段的損耗,進(jìn)一步提高了發(fā)射機(jī)輸出功率。

        多波束發(fā)射陣的等效輻射功率P可按下式計(jì)算:

        式中,P0為單個功率放大器的輸出功率;g0為發(fā)射陣單元天線的增益;N為陣元數(shù);η為發(fā)射陣功率合成效率;θ0為波束掃描角。

        例如,對于16元的多波束發(fā)射陣,單個陣元天線增益為10dB,單個功率放大器的功率為50W,合成效率80%,則可產(chǎn)生100kW的等效輻射功率。

        這樣的等效輻射功率不僅遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)干擾機(jī),甚至高于某些相控陣干擾機(jī)。這是由于多波束發(fā)射機(jī)的功率放大器可采用行波管,單管功率高于相控陣干擾機(jī)中的T/R組件,在高頻段更是如此。

        1.2.2 多波束對多信號的適應(yīng)能力

        1)信號稀釋能力

        多波束天線陣每一個波束的寬度較窄,有較好的空間濾波作用,可對多信號環(huán)境進(jìn)行稀釋,以減小信號處理的壓力,提高信號分選的準(zhǔn)確性。以16個波束覆蓋原來單個寬波束覆蓋的空域(如±45°方位),則每個波束的信號密度降為原來的1/16。這在當(dāng)今信號密度達(dá)百萬脈沖每秒的作戰(zhàn)環(huán)境下,對提高電子戰(zhàn)系統(tǒng)的信號分選能力有很大幫助。

        2)多目標(biāo)干擾能力

        多波束的多目標(biāo)干擾能力體現(xiàn)在兩方面:

        ①同時多目標(biāo)干擾。多波束遵守“疊加原理”,不同的波束,甚至是同一波束都可以由不同的信號疊加,以實(shí)現(xiàn)同時多目標(biāo)干擾,如圖4所示。每個干擾信號都具有全部孔徑的增益,不會出現(xiàn)相控陣中由于采用子陣而出現(xiàn)的天線增益下降的現(xiàn)象,增強(qiáng)了多目標(biāo)干擾能力。

        ②分時多目標(biāo)干擾。多波束天線陣可以極快地切換波束。波束切換通過波束口的小功率單刀多擲PIN開關(guān)實(shí)現(xiàn),切換時間只有幾十納秒,可實(shí)現(xiàn)靈活的分時多目標(biāo)干擾。

        1.3 多波束技術(shù)其它特點(diǎn)

        1)控制簡單

        多波束接收或發(fā)射系統(tǒng)不需要復(fù)雜的波控系統(tǒng)。波束的選擇只需通過簡單的低功率PIN開關(guān)即可實(shí)現(xiàn),降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

        圖4 多波束同時多信號干擾示意圖

        2)可靠性高

        多波束系統(tǒng)的高可靠性體現(xiàn)在兩個方面。①由于采用空間功率合成技術(shù),單個發(fā)射機(jī)輸出功率大大下降,發(fā)射機(jī)的可靠性得到提高;②部分功率放大器的故障將使多波束發(fā)射陣輸出的等效輻射功率有一定的下降,但不會完全失效,提高了系統(tǒng)的冗余度。例如,對于16元陣來說,當(dāng)有2個功率放大器故障時,其等效輻射功率只損失1.2dB,對干擾效果只是略有影響。這一點(diǎn),與相控陣干擾機(jī)類似。

        3)成本低

        多波束的主要核心部件——多波束透鏡為機(jī)械狀置,其成本主要為加工成本。因此,相對于相控陣成本低很多,有利于產(chǎn)品競爭力的提高。

        正是由于多波束技術(shù)具有這些優(yōu)點(diǎn),美國的AN/ALQ-184(V)干擾吊艙和下一代艦載干擾機(jī)AN/SLQ-54EW就采用透鏡饋電多波束天線陣。

        2 多波束在無人機(jī)平臺的應(yīng)用

        隨著電子戰(zhàn)無人機(jī)朝大型化方向發(fā)展,多波束技術(shù)有了一展身手的機(jī)會。相比于地面或艦載的多波束,由于平臺的變化,無人機(jī)平臺上的多波束有其自身的特點(diǎn),設(shè)計(jì)上有特殊的考慮。

        2.1 無人機(jī)上多波束的特點(diǎn)

        1)安裝條件受限

        大型無人機(jī)載質(zhì)量已由中小型無人機(jī)的幾十千克提升至數(shù)百千克??晒╇娮討?zhàn)設(shè)備使用的安裝條件有了很大改善,但相比于地面設(shè)備和艦載設(shè)備來說還是十分受限。這也限制了多波束的設(shè)計(jì)。首先,要控制接收通道和發(fā)射通道的設(shè)備量,多波束的波束數(shù)和陣元數(shù)不能太多。一般來說,8~16個波束較為合適。當(dāng)前,對于一個90°方位內(nèi)有16個波束的系統(tǒng)來說,測向精度可達(dá)2°以內(nèi),干擾等效輻射功率達(dá)百千瓦量級,基本滿足無人機(jī)電子戰(zhàn)設(shè)備需求。其次,多波束的工作方式應(yīng)以分時多波束為主。完全并行的同時多波束需要較多的通道,無人機(jī)上不宜采用。設(shè)計(jì)中為兼顧設(shè)備量和截獲概率,可采用接收檢測通道并行、處理通道共用的方式。一旦檢測到某一波束有威脅信號,則通過快速引導(dǎo)將該波束切換至公用處理通道中,以減小處理通道數(shù)量。再次,對于發(fā)射多波束陣,在功放類型和散熱方式的選擇要充分考慮體積和質(zhì)量的限制。一般來說,固態(tài)功放體積、質(zhì)量較小,熱密度也不大,可采風(fēng)冷散熱,可優(yōu)先選用。

        2)供電受限

        雖然大型無人機(jī)平臺供電可達(dá)數(shù)十千瓦,但同時還要給飛控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等供電,留給電子戰(zhàn)設(shè)備的供電還是不太寬裕,一般只有幾千瓦。這將制約多波束發(fā)射陣功率放大器的數(shù)量和功率放大器的類形選擇。功率放大器的選擇上,效率是主要考慮因素。工作頻段較低時,固態(tài)功放的效率優(yōu)勢較為明顯,隨著頻率升高,固態(tài)功放的效率明顯下降,而行波管效率較高。此外,為了無人機(jī)供電安全,平臺對電子戰(zhàn)設(shè)備帶來的配電系統(tǒng)的電壓和電流畸變有嚴(yán)格要求。無人機(jī)上多波束供電設(shè)計(jì)較地面或艦載多波束困難得多,尤其是供電匹配網(wǎng)絡(luò)將占用寶貴的載荷和安裝空間。

        3)環(huán)控條件受限

        中小型無人機(jī)上的環(huán)控主要采用強(qiáng)迫風(fēng)冷或環(huán)境冷卻的方式,散熱量較小,不能完全滿足多波束發(fā)射陣的散熱需求。在大型無人機(jī)上,環(huán)控條件已有改觀,有些大型無人機(jī)上已有液冷環(huán)控裝置,但受體積和質(zhì)量的限制,散熱量只有幾千瓦。多波束發(fā)射陣的主要發(fā)熱部件為電源和功率放大器。環(huán)控條件對多波束發(fā)射陣最大的限制就是陣元數(shù)的選擇。陣元數(shù)越多,相應(yīng)的功率放大器和電源模塊就越多,所需的環(huán)控散熱量也越多。因此,在無人機(jī)平臺上設(shè)計(jì)多波束系統(tǒng)時,環(huán)控條件往往成為確定陣元數(shù)量的制約因素。

        2.2 無人機(jī)上多波束的設(shè)計(jì)

        1)多波束天線的布局和透鏡設(shè)計(jì)

        對于自衛(wèi)干擾和隨隊(duì)支援干擾來說,威脅主要來自無人機(jī)的前、后方向。接收多波束陣和發(fā)射多波束陣可以分別布置于無人機(jī)機(jī)身兩側(cè)。并盡量利用機(jī)身的遮擋,提高收發(fā)天線之間的隔離,實(shí)現(xiàn)收發(fā)同時工作。對于遠(yuǎn)距離支援干擾來說,由于威脅目標(biāo)位于無人機(jī)機(jī)身側(cè)面,接收多波束陣和發(fā)射多波束陣應(yīng)布置于無人機(jī)機(jī)身的同一側(cè)。

        多波束透鏡設(shè)計(jì)方面,雖然形成多波束的原理相同,但對于發(fā)射多波束和接收多波束的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則卻有所差別。對于發(fā)射多波束,陣列的邊緣激勵電平應(yīng)盡可能高,以提高陣列的口徑利用系數(shù),得到更大的陣列增益。并且,相鄰波束交點(diǎn)絕對電平應(yīng)盡量高一些,以減小在相鄰波束交界處增益的損失;對于接收多波束,則降低陣列的邊緣照射電平,以得到低副瓣的陣列特性。同時,全頻段范圍內(nèi)波束寬度應(yīng)相對恒定,天線波束交點(diǎn)設(shè)計(jì)為-3dB左右,這樣既有較高的靈敏度又有良好的比幅測向精度。

        2)引導(dǎo)方式

        為簡化設(shè)備,同時提高反應(yīng)速度,多波束發(fā)射陣和多波束接收陣可采用相同的陣列,波束設(shè)計(jì)為一一對應(yīng)。接收波束直接引導(dǎo)發(fā)射波束,引導(dǎo)更加簡單、快速。接收陣某個波束接收到信號,就從發(fā)射陣相應(yīng)的波束發(fā)射干擾信號,如圖5所示,無需像一般的干擾系統(tǒng)先通過測向確定目標(biāo)方位,才能引導(dǎo)干擾波束指向該方位。同時,該方式可利用多波束接收陣增益高的特點(diǎn),提高系統(tǒng)靈敏度,以實(shí)現(xiàn)對包括有源相控陣?yán)走_(dá)功率管理模式在內(nèi)的低截獲(LPI)信號的接收。

        圖5 接收多波束引導(dǎo)發(fā)射多波束示意圖

        3)干擾方式

        自衛(wèi)干擾時,干擾功率相對較小,可實(shí)現(xiàn)收發(fā)同時工作。工作方式為:接收天線陣實(shí)時接收外界威脅信號,實(shí)時進(jìn)行信號處理和干擾信號產(chǎn)生,同時干擾信號選擇相應(yīng)的發(fā)射波束發(fā)射出去。因干擾脈沖相對于接收到的雷達(dá)信號沒有時延,故有利于對付雷達(dá)前沿跟蹤和頻率捷變工作方式。如圖6所示,支援干擾時,由于干擾功率大,收發(fā)隔離可能不足。此時的工作方式為:首先對各個雷達(dá)信號進(jìn)行一段時間的偵察,通過功率管理控制器設(shè)置相應(yīng)的跟蹤參數(shù),當(dāng)預(yù)測某一目標(biāo)信號出現(xiàn)時,即用相應(yīng)的接收波束進(jìn)行接收,接收完整個脈沖后,再產(chǎn)生干擾信號從對應(yīng)的發(fā)射波束對其干擾,如圖7所示。

        圖6 自衛(wèi)干擾時序圖

        圖7 支援干擾時序圖

        需要干擾多目標(biāo)時,干擾機(jī)既可采用分時干擾方式,也可采用同時干擾方式,或者將兩種干擾方式相結(jié)合,以適應(yīng)不同的干擾要求。在多目標(biāo)同時干擾時,等效輻射功率為相控陣干擾機(jī)的子陣方式的m倍(m為子陣數(shù))。

        3 結(jié)束語

        本文介紹了多波束技術(shù)的特點(diǎn)及其對現(xiàn)代電磁威脅環(huán)境的適應(yīng)能力。作為一種先進(jìn)的干擾技術(shù),其在無人機(jī)平臺上的發(fā)展將對電子戰(zhàn)無人機(jī)起極積的推動作用?!?/p>

        [1] 張光義,趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

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