有源干擾輻射對艦面電磁環(huán)境影響及優(yōu)化技術途徑探討

趙齊民，陳 晨

(中國船舶工業(yè)集團公司第七〇八研究所, 上海 200011)

0 引 言

由于艦載有源干擾設備具有頻帶寬、功率大、干擾樣式豐富以及同時對多方向、多目標雷達信號實時快速有源干擾對抗的功能，在水面艦艇防空反導使命中擔負著“軟”武器對抗的重要任務，因此，世界各國水面艦艇均裝備有不同型號的有源干擾設備。但是由于有源干擾設備工作頻率范圍寬、功率大，尤其是輻射的帶外雜散分量高，而且天線付瓣電平高等問題給水面艦艇艦面電磁環(huán)境產生了嚴重影響，從而對艦面布置的其他艦載電子設備造成了不同程度的電磁干擾，降低了其他艦載電子設備和武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，導致艦艇綜合作戰(zhàn)效能不能充分發(fā)揮。如何解決好這一個極其復雜而突出的電磁兼容性矛盾，改善全艦電磁環(huán)境，充分發(fā)揮全艦綜合作戰(zhàn)能力是艦船總體設計中一個極為重要而又十分困難的課題之一，本文就此命題進行技術探討。

1 大功率有源干擾設備輻射帶外雜散分量技術狀態(tài)及產生的機理分析

1.1 艦載有源干擾設備基本原理

以美軍通用艦載有源干擾設備SLQ-32V為典型裝備，其基本組成如圖1所示。

圖1 艦載有源干擾設備基本組成原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of ship-borne active-jam

圖中，n為干擾發(fā)射機有源信號注入通道數(shù)，分大、中、小3種配套類型，n=24，36，72；m為有源干擾發(fā)射天線陣天線單元數(shù)。

由m個相同的單元天線組成，共同覆蓋90°范圍的方位角。

其基本原理簡介如下：

1）干擾信號源。產生各種干擾樣式的小功率微波信號源經(jīng)調制后，提供給各個發(fā)射通道作干擾信號源。

2）末級行波管功率放大器組件（TWT）。進行功率放大，輸出足夠大的干擾功率。

3）羅特曼透鏡。將輸入的干擾信號進行相位調制輸送到功率放大組件經(jīng)天線陣向外發(fā)射。

4）天線陣。由多個相同的天線單元組成，覆蓋所需干擾的空域，并在空間合成為某一指定方向單波束。

1.2 有源干擾設備輻射雜散頻譜分量的類型及產生機理

有源干擾設備輻射帶外雜散可分為2類：靜態(tài)噪聲和發(fā)射干擾信號時有用頻譜之外的帶外雜散。

1.2.1 靜態(tài)噪聲

1.2.1.1 靜態(tài)噪聲物理特性

指在行波管功率放大器加電正常后，在信號輸入端無微波信號條件下，功率放大器輸出的信號。如末級功放采用固態(tài)功率放大器件時則靜態(tài)噪聲很小，如末級功放采用行波管放大器（TWT），則輸出靜態(tài)噪聲較大。而且其頻譜寬度很寬，覆蓋了行波管工作的頻率范圍。

1.2.1.2 靜態(tài)噪聲形成機理

典型行波管放大器工作原理如圖2所示。

圖2 CW行波管（TWT）原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of CW-TWT

圖中，kf為燈絲為加熱極與陰極（產生熱電子）合為一體，陰極相對地為負高壓；g為聚束極（控制極），行波管加電時相對陰極為負壓（-1～-1.2 kV截止電壓），防止CWTWT加電過程中過流。TWT加電正常后為0 V。c為收集極，收集剩余電子，相對陰極為正高壓；螺旋線，將RF入注入的小功率微波信號進行功率放大后由RF出輸出大功率微波信號。

其靜噪是連續(xù)波行波管正常加電后，因燈絲發(fā)熱使陰極產生熱電子運動，其蒸發(fā)的熱電子在RF入端無輸入微波信號時，由RF出端輸出的接近于白噪聲的射頻信號功率，如圖3所示。

圖中，fL為TWT工作頻率范圍低限頻率點（一般為6 GHz）；fH為TWT工作頻率范圍高限頻率點（一般為18 GHz）。

圖3 末級行波管功放（TWT）輸出靜態(tài)噪聲頻譜示意圖Fig.3 Static noise spectrum diagram of TWT

典型行波管(單管功率50 W)的靜態(tài)噪聲電平約為-20～-23 dBmw/MHz，行波管單管輸出功率越大則靜態(tài)噪聲電平更高。

1.2.2 輻射有用干擾信號時的帶外雜散頻譜特性

1.2.2.1 頻譜特性

有源干擾設備在發(fā)射有用干擾信號的同時也帶有無用的雜散頻譜信號，如圖4所示。

圖4 發(fā)射有用干擾信號時頻譜分布示意圖Fig.4 Spectrum diagram of Jam signal

由圖4可見，有源干擾發(fā)射頻譜中除有用干擾信號瞬時帶寬Δf外，還具有干擾信號的高次諧波分量和非諧波帶外雜散分量，而且其帶外雜散分量頻譜分布是無規(guī)則狀態(tài)。其2次諧波分量是有用干擾信號的2倍頻率，其幅度約為主頻譜-20～-30 dB左右，其非諧波帶外雜散為主頻譜的-30～-40 dB，而且頻譜分布雜亂。由于艦載有源干擾設備輻射的干擾功率為數(shù)百千瓦到兆瓦級，艦面布置的其他電子設備天線與干擾設備天線距離較近，因此其帶外雜散分量對艦面電磁環(huán)境影響不容忽視。

1.2.2.2 帶外雜散形成的原理分析

大功率末級功放特性如圖5所示。

輸入信號功率為Pλ，輸出功率為P出。

1）Pλ≤P1時為線性放大區(qū)；

圖5 末級功率放大器放大特性Fig.5 Performance of power amplifier

2）P1＜Pλ≤P2時為非線性放大區(qū)；

3）P2＜Pλ≤P3為準飽和放大區(qū)；

4）Pλ＞P3時為飽和放大區(qū)。

當行波管處于線性放大區(qū)時，輸出信號對輸入信號進行線性放大，波形無畸變，不會產生高次諧波，即使是輸入不同頻率的多個信號也不會產生交調互調，也就不會產生新的頻率分量，即不產生帶外雜散分量，但輸出功率小。

當行波管輸入信號功率增大，進入到非線放大性區(qū)時，除對輸入信號進行放大外，還會產生波形畸變，輸出信號會產生高次諧波分量。如果輸入信號同時具有多個頻率，除了產生許多高次諧波分量（2fλ· ··nfλ）以外，還會產生多個頻率信號之間的交調互調，fi+fj，fi-fj···等許多新的頻率分量信號，這些新的頻率分量頻譜寬而且密集，即非諧波帶外雜散信號。隨著輸入功率增大，非線性越深，雜散電平越高。

有源干擾設備為了保證干擾效果，在實施雜波壓制性干擾時需具備一定的壓制帶寬。對固定點頻工作的雷達，雜波干擾的壓制帶寬通常為10～20 MHz，對跳頻工作的雷達壓制干擾帶寬通常為50～800 MHz可選（根據(jù)干擾對象雷達跳頻帶寬而定）。無論是窄帶壓制干擾帶寬或是寬帶壓制帶寬是由許許多多頻率信號的集合而成，在同一時刻由末級功放輸出。而由于末級功率放大器為了輸出大功率通常處于非線性放大區(qū)（準飽和與飽和區(qū)）工作，必然會出現(xiàn)多種頻率分量相互的交調互調效應，產生許許多多的新的頻率分量，即非諧波帶外雜散。由此可見，末級功率放大器輸出的雜散頻譜分量非常豐富。這就是有源干擾設備發(fā)射頻譜中帶外雜散分量頻譜寬、功率分量大的主要原因。

和大功率雷達相比，大功率脈沖雷達雖然也是由大功率功率放大器輸出發(fā)射信號，但雷達信號脈沖內多數(shù)為單頻信號或脈內調制（調相、調頻的脈壓技術），盡管脈壓雷達脈沖也有一定的調頻帶寬，但在某一時刻也是單頻信號，經(jīng)過末級功放非線性區(qū)放大后，只會發(fā)生波形畸變，而產生該頻率的高次諧波分量，不存在多個頻率間的交調互調，不會產生非諧波帶外雜散分量。這是大功率有源干擾與大功率雷達輻射的本質差別。而現(xiàn)有雷達輻射信號也存在一定的非諧波帶外雜散分量，其原因是雷達信號源頻譜不純，即雷達信號源中除主頻譜信號外還存在雜散分量，這樣的信號源經(jīng)非線性放大后也產生多種頻率分量的帶外雜散。目前大多數(shù)為相參雷達，其信號源頻譜質量都較好，所以雷達輻射的帶外雜散頻譜分布范圍小，而且非諧波雜散頻譜功率分量也很小。

2 改善有源干擾輻射帶外雜散分量的技術途徑

2.1 TWT功率放大器輸出靜態(tài)噪聲的改善途徑

由前述可知，TWT末級功放輸出的靜態(tài)噪聲頻譜很寬，功率分量較大。

2.1.1 采用固態(tài)功率放大器

固態(tài)功率放大器由于不需燈絲加熱“蒸發(fā)”熱電子，其靜態(tài)噪聲比行波管功放要降低20～30 dB。目前，單元固態(tài)功放由于輸出功率不夠大，不能完全滿足有源干擾設備輸出大功率的要求，要獲得大功率需組成更多元固態(tài)功放發(fā)射陣列進行功率合成。

2.1.2 采用柵極控制的新型連續(xù)波TWT功率放大器動態(tài)快速截止電壓控制技術

有源干擾設備目前普遍采用時間分配法以達到對雷達目標有效干擾的目的，如圖6所示。

圖6 有源雜波干擾實施雷達目標干擾時序關系示意圖Fig.6 Sequential diagram of active jam

由圖可知，有源干擾時間要覆蓋雷達目標脈沖。而在偵察觀察窗（約為2～5 ms）內和電磁兼容管控跟蹤波門（約為2～15 μs）內，有源干擾停止發(fā)射，目前采用快速切斷行波管輸入微波信號而停止干擾發(fā)射。這時行波管輸出信號端仍有靜態(tài)噪聲，對本艦雷達偵察設備和本艦同頻段工作的其他電子設備造成干擾，不能正常接收信號。

如何抑制TWT輸出的靜態(tài)噪聲，就是在有源干擾發(fā)射時間之外時間域給行波管聚束極加載截止負電壓，這時靜態(tài)噪聲可被抑制。以某個行波管為例，在聚束極電壓處于非截止狀態(tài)時，行波管輸出靜態(tài)噪聲為-23 dBm/MHz, 當聚束極電壓處于截止狀態(tài)時輸出為-80 dBm/MHz。可見聚束極處于截止狀態(tài)時，靜態(tài)噪聲降低了67 dB，其效能甚佳。

如何抑制TWT輸出的靜態(tài)噪聲，就是在有源干擾發(fā)射時間之外時間域給行波管聚束極加載截止負電壓，這時靜態(tài)噪聲可被抑制。以某個行波管為例，在聚束極電壓處于非截止狀態(tài)時，行波管輸出靜態(tài)噪聲為-23 dBm/MHz, 當聚束極電壓處于截止狀態(tài)時輸出為-80 dBm/MHz?？梢娋凼鴺O處于截止狀態(tài)時，靜態(tài)噪聲降低了67 dB，其效能甚佳。

2.2 末級功率放大器發(fā)射干擾時帶外雜散的抑制技術

由前所述，有源干擾設備發(fā)射信號需一定的瞬時干擾帶寬而具有多個頻率信號的集合，經(jīng)末級功放非線性區(qū)或飽和區(qū)放大后產生多頻率之間的交調互調形成寬頻譜分量的帶外雜散。而帶外雜散的頻譜功率分量與行波管工作區(qū)有密切關系，越趨近飽和則輸出功率越大，帶外雜散分量也越大。因此，選擇行波管工作在線性區(qū)域和淺非線性區(qū)，可以大大降低帶外雜散分量，但輸出的功率也下降。為了彌補末級功放輸出功率下降的缺陷，可以用多個工作在線性區(qū)或淺非線性區(qū)工作的末級功放組提高有效輻射功率，如多波束和相控陣模式，當然設備成本更高，但達到了降低帶外雜散的目的，這兩者之間的取舍根據(jù)需求而定。

3 改善大功率有源干擾輻射對于艦面電磁環(huán)境影響的技術途徑

為了改善大功率有源干擾對艦面電磁環(huán)境影響，除了上述在頻域上抑制有源干擾輻射的帶外雜散外，還可采取多種技術措施。

3.1 降低有源干擾設備天線的付瓣電平

有源干擾設備天線一般布局在艦面主桅兩弦方向，2套天線各覆蓋180°。干擾天線主波束原則上不照射本艦其他電子設備的天線，但天線付瓣都能照射到。如能大大降低有源干擾設備天線付瓣電平，則可降低有源干擾設備對艦面其他電子設備的干擾。要避免有源干擾設備天線付瓣的干擾，則要求其付瓣電平再降低數(shù)10 dB。而有源干擾設備均是超寬頻帶工作，寬頻帶工作的天線要達到很低旁瓣極為困難，無論是單波束天線或是多波束天線，目前天線旁瓣約為-20～-30 dB。

3.2 優(yōu)化有源干擾設備天線在艦艇上的總體布局

3.2.1 有源干擾設備天線高度下降

有源干擾設備發(fā)射天線一般均布置在主桅下端，這種布局使有源干擾設備與艦面同波段其他電子設備天線高度差較小，而且天線之間可以通視，對其他電子設備的電磁干擾嚴重。有源干擾設備天線布置高度下降，如布局在主甲板以下的左、右弦，一方面可適當增加與艦面電子設備天線之間高度差和相對距離，更主要是有源干擾天線與艦面同波段工作電子設備天線之間避開了通視狀態(tài)，即有一定遮擋效應，可大大改善有源干擾與其他電子設備之間的電磁兼容性。美海軍的艦艇有源干擾設備天線布局狀況就采用這種方案。

降低有源干擾設備天線高度也會帶來干擾視距降低的負面影響，導致作戰(zhàn)效能降低，對此進行分析。

假設有源干擾設備天線水線高度由16 m下降到9 m，有源干擾設備主要作戰(zhàn)任務是對抗敵方反艦導彈，反艦導彈在末端的飛行高度設定為25 m、16 m、9 m三種。根據(jù)視距計算公式：R(km)=4.12（），其中：h1為目標高度，m；h2為有源干擾天線高度，m；如表1所示。

表1 有源干擾天線高度對視距影響Tab.1 Effect of active jam antenna height on visual range

由此可見，即使在有源干擾天線高度為9 m，反艦導彈飛行高度也為9 m的極限情況下，兩者之間視距仍有25 km。一般導彈束制導雷達開機都在攻擊末端，距被攻擊艦艇距離在20 km左右，仍可滿足作戰(zhàn)要求，卻有效改善對艦面同波段電子設備的干擾。

3.2.2 對有源干擾設備覆蓋空域進行適當遮擋

目前艦載有源干擾設備覆蓋空域通常為每弦為±90°，兩弦為360°，這種布局可提高有源干擾對抗空域，但也對艦面電磁兼容環(huán)境造成了極大威脅。

借鑒美海軍艦船有源干擾天線布置狀態(tài)，在其艦首尾方向對有源干擾天線覆蓋角進行有限遮擋，也就是適當降低了有源干擾在船首尾方向的覆蓋角，對全艦艦面電磁環(huán)境有了很大改善。

一方面美海軍SLQ32V有源干擾設備為多波束干擾天線，這種體制的有源干擾天線在艦首尾方向主波束有一定畸變，在艦首尾方向干擾效果本身會有一定降低；另一方面，有源干擾設備天線在艦船首尾方向有較小的遮擋造成的損失，可由艦載其他武器系統(tǒng)反導作戰(zhàn)能力而彌補。由于水面艦艇防衛(wèi)具有多種武器系統(tǒng)，如防空導彈、火炮系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)，艦艇防御是多種武器系統(tǒng)綜合作戰(zhàn)完成，各武器系統(tǒng)在作戰(zhàn)方向、不同攔截距離上相互彌補。而艦載武器系統(tǒng)和無源干擾設備多數(shù)在艦首尾方向均有較強的作戰(zhàn)能力，正好彌補了有源干擾在艦首尾部小遮擋角的損失，相反卻大大改善了艦面電磁兼容環(huán)境。這種得與失的理念也值得借鑒。