一種X波段寬帶雙波束相控陣干擾機設(shè)計

樊錫元，沈項東

（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088）

工程與應(yīng)用

一種X波段寬帶雙波束相控陣干擾機設(shè)計

樊錫元，沈項東

（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088）

闡述了一種對機載AESA雷達X波段干擾機設(shè)計，采用并行發(fā)射雙波束相控陣體制，可以快速靈活實現(xiàn)不同頻率、不同帶寬、不同指向空間雙干擾波束。工作頻段X波段，瞬時帶寬1GHz，工作帶寬4GHz，連續(xù)波工作，等效輻射功率在43 dBW。干擾激勵2路，各自經(jīng)延時放大、功率分配成32路送波控移相控制，再混合后送32路路發(fā)射通道功率放大輸出天線陣面；天線陣面采用4× 32斜極化微帶振子組成一維相控陣，輻射至空間形成需要干擾波束。雙波束工作干擾模式不同，工作頻率不同，波束指向不同，可以方便實現(xiàn)對空間雙目標同時進行欺騙式干擾和壓制干擾。

并行發(fā)射雙波束；波束控制；寬帶連續(xù)波功放；相控陣

0 引 言

近年來，雷達界不斷應(yīng)用新技術(shù)，如頻率、波束、波形、功率、重復頻率等雷達基本參數(shù)的捷變或自適應(yīng)捷變技術(shù)，功率合成、匹配濾波、相參積累、恒虛警處理、大動態(tài)線性檢測技術(shù)、多普勒濾波技術(shù)，低截獲概率技術(shù)，極化信息處理技術(shù)，擴譜技術(shù)，超低旁瓣天線技術(shù)，多種發(fā)射波形設(shè)計技術(shù)，數(shù)字波束形成技術(shù)等；并在采用新技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)研究出了多種先進的雷達系統(tǒng)，如有源固態(tài)相控陣雷達、超寬帶合成孔徑及逆合成孔徑雷達、低截獲概率雷達、新型脈沖多普勒雷達、稀布陣綜合孔徑（米波）雷達、毫米波雷達、雙／多基地雷達、組網(wǎng)雷達、數(shù)字陣列雷達、統(tǒng)計多輸入多輸出（MIMO）雷達等。這些新體制雷達拓展了雷達應(yīng)用領(lǐng)域。研究這些新體制雷達對于弄清其工作原理、找到其薄弱環(huán)節(jié)、采用有針對性的雷達對抗技術(shù)和方法尤為必要。

雷達對抗技術(shù)研究在復雜電磁環(huán)境下實現(xiàn)對機載AESA雷達信號的高概率偵察截獲，快速有效地分選、識別出機載AESA雷達信號及主要工作模式，選擇最佳干擾方法和干擾樣式，實現(xiàn)快速高效的干擾引導；能夠根據(jù)偵察設(shè)備提供的干擾決策指令和干引導參數(shù)，采取針對性的干擾方法和干擾樣式，實現(xiàn)對機載AESA雷達空面模式的高效干擾［1-3］。

本文闡述一種應(yīng)用在對機載AESA對抗技術(shù)干擾機，采用并行發(fā)雙波束相控陣體制，可以快速靈活實現(xiàn)不同頻率、不同帶寬、不同指向空間雙干擾波束。工作頻段X波段，瞬時帶寬1 GHz，工作帶寬4 GHz，連續(xù)波工作，等效輻射功率在43 dBW。采用不同的干擾策略，可以有效實現(xiàn)對空中雙目標的欺騙式干擾和壓制干擾。

1 整體方案結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，地面同時要面對空中多種威脅，對抗設(shè)備需要根據(jù)偵查接收的結(jié)果，采用不同策略應(yīng)對同時的多目標。本設(shè)備采用相控陣體制，可以實時快速對空中目標進行干擾；同時采用并行發(fā)射體制，可以實時形成不同頻率、不同帶寬、不同指向空間多干擾波束，有效提高干擾戰(zhàn)術(shù)效能，同時也降低設(shè)備需求量，降低了工作成本?？傮w考慮，多波束雖能提高效能，但三波束及更多波束并行發(fā)射有以下不利影響：

·多激勵經(jīng)發(fā)射功放輸出，帶來大量的交調(diào)分量，降低了主頻的發(fā)射功率，輻射威力降低。

·三波束交調(diào)分量對波束形成具有一定干擾偏離，由于互相間相位牽引在寬帶工作波束指向有較大偏差。

·三波束對波束控制編碼硬件及軟件要求更高。

綜上所述，考慮到戰(zhàn)術(shù)性能和設(shè)計成本及技術(shù)風險，本設(shè)計采用雙波束并行發(fā)射相控陣體制。上述因素雙波束模式下尚在工程應(yīng)用可以控制范圍。

對機載AESA雷達對抗技術(shù)設(shè)備由主站和輔站兩套相對獨立的裝備組成，工作時在不同的陣地布站，二者通過微波通信設(shè)備進行信息交互。主站的總體布局如圖1所示，它主要由四部分組成：偵察單元、干擾單元、微波通信天線以及工作方艙。偵察單元通過長射頻電纜與設(shè)備方艙中的接收分機相連，干擾單元通過長射頻電纜與工作方艙中的激勵分機相連，偵察單元和干擾單元均設(shè)計天線支架并將天線架高2～3 m。微波通信天線可采用鐵塔架高10 m左右，與設(shè)備方艙也通過射頻電纜連接，用于傳輸微波通信信號。

圖1 主站布局圖

輔站采取與主站相同的結(jié)構(gòu)形式，即各類天線單元布置在方艙周圍不同位置，其他分機安裝在方艙內(nèi)的機柜之中，艙內(nèi)與艙外設(shè)備通過長射頻電纜連接。不同的是輔站不具備干擾功能，因此沒有干擾單元。

干擾單元（本文稱干擾機）主要由有源陣面發(fā)射陣面、水冷分機、電子羅盤、全向云臺以及天線支架五部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。水冷分機用于給陣面電子分機中各功放組件散熱。本文主要對有源發(fā)射陣面設(shè)計進行分析。

圖2 干擾機示意圖

1.1 指標要求

干擾機技術(shù)主要技術(shù)指標如下：

·工作頻率：X波段（4 GHz帶寬）；

·輸入激勵個數(shù)：2個

·激勵信號最大帶寬：1 GHz；

·天線體制：一維有源陣列；

·單元個數(shù)：4×32；

·極化方式：斜極化；

·掃描范圍：±30°；

·俯仰向波束寬度：≥16°

·天線增益：≥21 dB；

·等效輻射功率：43 dBW

·發(fā)射通道個數(shù)：32

·波束轉(zhuǎn)換速度：100 us以內(nèi)；

·發(fā)射通道穩(wěn)定性：

相位±5°、幅度±1 dB；

1.2 干擾機設(shè)計框圖

干擾機的主要功能是接收偵查分系統(tǒng)送入的兩路射頻激勵信號，分別在任務(wù)電子分系統(tǒng)的控制下完成1路1：4功分、4路延遲補償放大、4路1：8功分、32單元數(shù)控移相，兩路激勵各32個輸出通道兩兩微波合成后進行功率放大，最后將各路功放組件的輸出送入對應(yīng)的發(fā)射天線單元。

干擾發(fā)射陣面在結(jié)構(gòu)上采取一體化設(shè)計，整個陣面電子分系統(tǒng)作為一個室外發(fā)射單元，利用長電纜與室內(nèi)激勵通道連接。室外發(fā)射單元主要由2個1：4功分網(wǎng)絡(luò)、8個延遲放大組件、8個1：4功分網(wǎng)絡(luò)、32個雙頻發(fā)射組件、校正網(wǎng)絡(luò)、32個天線單元、水冷分機、低壓電源以及波控模塊組成，原理框圖如圖3所示。

圖3 干擾機功能設(shè)計原理框圖

干擾機采用并行發(fā)射多波束體制，采用雙干擾激勵，分別移相布陣，再混合共用發(fā)射功放和天線陣面，同時形成2個發(fā)射干擾波束。利用這個特點同時對空中不同方向2個目標實現(xiàn)有效干擾，具有更大的工作靈活性［4］。

2 電路設(shè)計

2.1 天線單元

根據(jù)天線的帶寬要求及對單元體積、重量方面的限制，考慮以微帶振子作為基本輻射單元組成干擾天線陣。微帶振子天線重量輕、成本低、批生產(chǎn)加工精度高、陣面組成易于一體化等優(yōu)點，較波導裂縫等天線形式更適合在X頻段使用［4］。為了實現(xiàn)X波段收發(fā)天線的波束寬度和方向性的要求，利用線陣的形式壓窄波束寬度。

天線單元采用在微帶板上蝕刻振子圖形的方式實現(xiàn)。微帶板材料選為Rogers RO4003C，介電常數(shù)為3.38，厚度均為0.508 mm，如圖4所示。在要求的頻率范圍內(nèi)，單元駐波優(yōu)于1.35。E面的3 dB波束寬度為45°～91°，H面的3 dB波束寬度為89°～116.5°。

圖4 微帶陣子單元

2.2 天線線陣

天線單元傾斜45°布陣，單元極化方向也偏離水平極化方向45°。單元的電場分量分解到水平極化和垂直極化方向相等，恰好實現(xiàn)了斜極化的要求。

天線陣面由32個單元線陣組成。根據(jù)掃描的要求，線陣間距取為15 mm。陣面布局如圖5所示。圖6、圖7為不同方位面的方向圖。表1為不同頻率方位面參數(shù)。

圖5 天線陣面布局圖

圖6 F0掃描00

表1 天線陣面方位面參數(shù)

圖7 F0掃描300

天線增益可以用方向性減去單元損耗、電纜損耗、功分網(wǎng)絡(luò)損耗和校正網(wǎng)絡(luò)損耗來估算?？紤]各種饋線損耗，實際測試，全頻帶范圍內(nèi)增益大于22 dB。

2.3 陣面延時放大組件設(shè)計

對于寬帶相控陣雷達天線，在寬角掃描情況下，其瞬時工作信號帶寬受空間色散效應(yīng)和時間色散效應(yīng)的限制。因此需要考察在相應(yīng)影響的前提下，決定是否在陣列單元或陣列子陣級別上采用實時延遲補償［5］。

陣列共32個單元，工作中心頻率f0，帶寬Δf＝1 GHz，實現(xiàn) ±30°掃描。實際單元間距為 d＝15 mm，陣長L＝465 mm。

寬帶對陣列特性的影響可以從三個方面來評估，分別是：對波束指向的影響、對瞬時信號帶寬的限制和對寬帶LFM信號調(diào)頻速率的限制。天線系統(tǒng)若不加實時延時線，要實現(xiàn)1 GHz瞬時信號帶寬對波束指向偏移和時間色散對帶寬、時寬限制數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不加延遲線寬帶寬角掃描時寬、帶寬限制

由表中數(shù)據(jù)可以看出，本系統(tǒng)1 GHz瞬時信號帶寬的實現(xiàn)主要受限于波束指向的偏移和時間色散的影響，因天線陣面較小，對脈寬的限制很小，可不做考慮。同時，上述考慮孔徑渡越時間對帶寬的限制時，按嚴格要求，信號展寬時間按壓縮后脈沖寬度的1／10考慮，若按基本要求信號展寬時間按壓縮后脈沖寬度的1／2考慮，則表中“時間色散隨帶寬限制”一項對帶寬限制為625 MHz，仍不能滿足寬帶掃描要求，因此必須加延遲線以解決色散問題［6］。

在每個單元添加實時延時線，設(shè)備復雜，損耗很大，為節(jié)省設(shè)備的數(shù)量，通常在子陣級添加實時延時線，只進行部分時間延遲補償，也可提高相控陣天線的寬帶特性。

子陣數(shù)目m的計算：

式中：m為子天線陣數(shù)目；n為信號展寬時間按壓縮后脈沖寬度的1／n；Δf為寬帶帶寬。

設(shè)計采用分為4個子陣，每個子陣單元數(shù)為8個，在子陣間添加4位實時延遲線，步進為0.6λ0，延遲線最大波長9λ0。此時可實現(xiàn)的瞬時帶寬在為1 032MHz，最大掃描范圍30°。

子陣劃分對波束指向偏移的改善效果，其仿真結(jié)果如圖 8所示。其 30°波束指向的偏差僅為0.3°。

圖8 F0經(jīng)延遲線修正的方向圖

由于干擾機采用雙模擬波束模式，干擾激勵輸入為2路，延時放大組件共需要8個。其實物如圖9。

圖9 延時放大組件實物

2.4 饋線電路

無源天線陣面與有源組件之間需要各種饋線設(shè)備，主要包括：輸入激勵功分、延時放大輸出功分、發(fā)射通道輸出功分耦合、校正網(wǎng)絡(luò)及傳輸電纜。

·輸入激勵功分：按子陣及雙路干擾激勵要求，1分4分配器2個；

·延時放大輸出功分：按子陣及雙路干擾激勵要求，1分8分配器4*2個；

·發(fā)射通道輸出功分耦合：按天線陣面要求，1分4功分耦合器32個，耦合端口輸出用于校正網(wǎng)絡(luò)。

·校正網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)入口為32路1分4功分耦合器耦合功率入，采用32：1合成，輸出口去校正檢測電路，測試與輸入激勵端口的ФS21。

·傳輸電纜：上述各設(shè)備之間連接需要大量傳輸射頻電纜，采用高頻低損耗保相電纜，保證系統(tǒng)損耗及相位一致性指標。

2.5 發(fā)射組件設(shè)計

發(fā)射組件實現(xiàn)雙干擾激勵數(shù)控移相、激勵混合、功率放大功能。發(fā)射組件包含32個發(fā)射通道。8個通道形成1個組件，還包含了電源調(diào)制電路和BITE電路。

·雙頻雙移相模塊

雙頻雙移相模塊功能實現(xiàn)雙干擾激勵

數(shù)控移相，包含1個波控數(shù)字芯片和2個6位數(shù)控移相芯片。波控芯片提供串并轉(zhuǎn)化電路，接受波控電路串行碼，產(chǎn)生并口TTL信號控制2個6位數(shù)字移相芯片，其控制流程框圖見圖10。

工程設(shè)計采用LTCC制作電路板，形成電路小型化。模塊盒體采用可伐材料，采用MCM微組裝工藝。實物圖片如圖11所示。

·雙激勵混合電路

雙激勵混合電路實現(xiàn)雙干擾激勵模擬混合，以實現(xiàn)并行發(fā)射雙波束［6］。由于工作帶寬較寬，采用2級微帶威爾金森合成電路合成，隔離端口采用微波貼片電阻，可以實現(xiàn)2端口間18 dB左右隔離，如圖12所示。

·連續(xù)波功率模塊

連續(xù)功率模塊實現(xiàn)混合激勵的功率放大，端口輸出功率大于5 W。模塊為飽和放大，增益約40 dB，由2級X波段功率芯片級聯(lián)組成，效率大于30%。工程設(shè)計采用RT5880微帶板制作電路板，形成小型化電路。由于工作帶寬4 GHz，合理設(shè)計芯片輸入、輸出匹配電路，以獲得較均衡的帶內(nèi)功率輸出、工作效率，同時良好的匹配電路可以很好屏蔽路回授造成級聯(lián)功率放大自激效應(yīng)。設(shè)計中考慮電磁兼容要求，對2級放大進行合理的級間隔離；考慮模塊腔體效應(yīng)，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸，加入微波吸收材料屏蔽高次模自激效應(yīng)。模塊盒體采用可伐材料，考慮到功率芯片散熱需求，底部燒結(jié)無氧銅襯底，采用MCM微組裝工藝［7］。實物圖片如圖13所示。

圖10 控制驅(qū)動集成電路功能框圖

圖11 雙頻雙移相模塊

圖12 激勵混合電路

發(fā)射組件包含8個發(fā)射通道，每個通道包含上述雙干擾激勵數(shù)控移相、激勵混合、功率放大，還包含電源調(diào)制開關(guān)及BITE控制電路。

在通道設(shè)計主要考慮到X波段射頻工作腔體效應(yīng)?？紤]腔體效應(yīng)，通道寬度必須在傳輸方向上限制40 mm內(nèi)，以避免形成高次本征模式自激。設(shè)計中采用加金屬隔筋以限制腔體寬度。設(shè)計中同時還采用微波吸收材料固定在蓋板及射頻模塊頂部，對射頻微帶半開放場進行吸收屏蔽。

設(shè)計考慮射頻模塊在路傳輸?shù)碾娞匦苑矫妫ǖ牢鬏旊娐返膶拵ヅ涮匦?。雖然功率芯片輸入、輸出匹配電路進行了內(nèi)匹配，但在實用過程中發(fā)現(xiàn)在寬帶4 GHz應(yīng)用中，負載駐波牽引效應(yīng)非常明顯，極易造成射頻鏈路自激或帶內(nèi)輸出指標起伏巨大。造成微帶傳輸電路失配的主要因素在功率芯片輸入、輸出端口及模塊輸入、輸出端口與微帶傳輸連接處的縫隙。由于目前工藝，這種傳輸縫隙一般只能控制在200～500 um。較大的縫隙的射頻電感效應(yīng)導致較大的駐波，從而引起功率芯片電路S參數(shù)強烈變化。S12參數(shù)惡化會導致電路自激，極易損壞功率芯片。S21參數(shù)惡化帶來帶內(nèi)輸出指標起伏巨大。設(shè)計中通過在縫隙處加入具有電容效應(yīng)的調(diào)試小島形成匹配補償，得到較好的寬帶工作特性指標。

圖13 連續(xù)波功率模塊

散熱設(shè)計上采用水冷結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)尺寸473×266× 36 mm，實物圖片如圖14，測試數(shù)據(jù)見表3、表4。

圖14 發(fā)射組件（含8發(fā)射通道）

表3 發(fā)射通道實測數(shù)據(jù)1

2.6 波控電路設(shè)計

波控電路是發(fā)射通道各控制端口與整機系統(tǒng)總控之間二級樞紐。一方面，接收系統(tǒng)總控下行控制數(shù)據(jù)流，進行數(shù)據(jù)分析、存儲及地址分配、數(shù)據(jù)分配等功能，產(chǎn)生并口工作時序控制TTL信號用于控制各發(fā)射通道工作狀態(tài)；產(chǎn)生A、B干擾激勵延時放大組件及發(fā)射通道波位控制碼，打入各通道，形成發(fā)射雙波束陣面布相功能。另一方面，將各設(shè)備BITE信號回饋至總控系統(tǒng)。其在總機系統(tǒng)中工作流程框圖如圖15。

表4 發(fā)射通道實測數(shù)據(jù)2

圖15 波控電路工作框圖

設(shè)計實物圖片如圖16。

圖16 波控電路實物

3 測試結(jié)果及分析

X波段寬帶相控陣干擾機主要包含有源陣面發(fā)射分機和水冷分機，實物如圖17所示。

圖18所示為有源發(fā)射陣面在近場暗室測試框圖。

圖17 有源發(fā)射陣面及水冷分機

圖18 有源發(fā)射陣面近場測試框圖

3.1 全頻段掃描30度后垂直／水平極化波束形成

對于有源發(fā)射陣面波束指向30度方向的測試，總共測了9個頻點，間隔500 MHz，每個頻點分別測試垂直極化性能和水平極化性能。圖19給出F0頻率30°波束形成圖。

圖19 有源發(fā)射陣面30°波束形成

測試結(jié)論：各頻點兩個極化掃描30度時，波束形成均較好，基本接近理論水平。

3.2 寬帶波束形成測試

針對有源發(fā)射陣面的寬帶波束形成能力，以“FoGHz／-22度“布相，8.2～12范圍內(nèi)9頻點測試，測試結(jié)果如圖20所示。

圖20 有源發(fā)射陣面-22°寬帶波束形成

測試結(jié)論：有源發(fā)射陣面采取子陣延遲線方式，設(shè)計滿足1.2GHz寬帶波束形成能力。

3.3 同頻雙波束測試

針對有源發(fā)射陣面的同頻雙波束形成能力測試，測試結(jié)果如圖21。

圖21 同頻雙波束形成測試

測試結(jié)論：有源發(fā)射陣面同時形成了兩個發(fā)射波束。

3.4 異頻雙波束測試

針對有源發(fā)射陣面的同頻雙波束形成能力，測試結(jié)果如圖22和圖23所示。

測試結(jié)論：對于兩路頻率不同的激勵信號，分別經(jīng)過移相網(wǎng)絡(luò)、微波合成、飽和放大后從斜極化天線陣面輻射，每個頻點在設(shè)置的方位都可以正確地形成發(fā)射波束。

圖22 異頻雙波束形成測試（方位圖）

圖23 異頻雙波束形成測試（俯仰圖）

4 結(jié) 語

本文對X波段寬帶雙波束相控陣干擾機進行詳細分析。干擾機采用了X波段寬帶一維相控陣天線、寬帶連續(xù)波發(fā)射功放、寬帶延時放大補償子陣、數(shù)字波控移相、并行發(fā)射雙波束等關(guān)鍵技術(shù)。在暗室近場測試，證明能正確、迅速靈活形成寬帶、不同頻率、不同指向的干擾雙波束，配合對抗偵查接收設(shè)備采用不同干擾策略，有效實現(xiàn)針對敵對目標的欺騙式干擾和壓制干擾。該電子對抗技術(shù)體制新穎，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ 徐少坤.欺騙式動目標SAR干擾技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代雷達，2008（7）：94-97.

［2］ 常龍，姜秋喜.超寬帶雷達發(fā)展現(xiàn)狀及其干擾新技術(shù)初探［J］.中國雷達，2008（2）：1-4.

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［7］ 彭高森，金家富.C波段高功率T／R組件設(shè)計［J］.雷達科學與技術(shù)，2011，9（3）：277-280.

樊錫元（1972—），男，安徽安慶人，高級工程師，主要研究方向為微波／毫米波技術(shù)；

E-mail：fanxiy123@sohu.com

沈項東（1971—），男，安徽合肥人，高級工程師，主要研究方向為微波／射頻電路研究。

Design of a W ide-Band Dual-beam phased-array Jammer

FAN Xi-yuan，SHENG Xiang-dong
（No.38thResearch Institute of CETC，Hefei230088，China）

A novel wideband，dual-beam phased-array jammer of airborne AESA radar in X-band spectrum was designed in this paper.We employed parallel dual-beam transmission and phased-array system，and flexibly achieved dual jamming beams at different frequencies，bandwidths，and directions.This jammer works in X-band spectrum，and has a simultaneous bandwidth of 1 GHz，and a working bandwidth of 4 GHz.Itworked at continuous-wavemode，and has an ERP value of 43 dBW.The two jamming stimuligo through the time-delayed-amplifyingmodules and power divider severally.Then the power are divided into 32 paths and delivered to beam-steering phase-control，and thenmixed and transferred to 32 paths transmission channel，and amplified and delivered to the antenna array.The antenna array employs 4×32 obliquely polarized micro-strip oscillator to form one-dimensional phased array.It radiates into the space and forms the needed jamming beam.The two beamsworked at different jammingmodes，frequencies，and beam directions.Thus the jammer can flexibly achieve deception jamming and suppression jamming at two targets.

Parallel dual-beam transmission；Beam steering；wideband continuous-wave power amplifier；Phased-Array

TN73

A

1673-5692（2015）05-509-09

10.3969／j.issn.1673-5692.2015.05.011

2015-07-17

2015-09-22