空間功率合成技術(shù)在干擾領(lǐng)域的關(guān)鍵問題分析 *

姜宇琛 ，傅軍 ，李豹 ，寧治文，2，律騰

（1. 海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2. 國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的信息化、智能化比重逐步加大，電磁場作為信息對抗的主要戰(zhàn)場，電磁頻譜的奪取已經(jīng)成為決定現(xiàn)代戰(zhàn)爭勝負(fù)的重要制約因素［1］。雷達、電磁武器和大功率干擾站等各類電子設(shè)備發(fā)展趨向于大功率、輕量化、模塊化的方向。由于器件受到物理特性的影響和制作工藝的限制，目前單個功放器件功率受到散熱和阻抗的限制難以達到技術(shù)要求，需利用功率合成技術(shù)對多個器件功率進行合成。但隨著設(shè)備需求發(fā)展和技術(shù)目標(biāo)提高，大功率合成變得難以實現(xiàn)［2］。若想獲得較大輸出功率，同時不受器件物理特性限制，空間功率合成技術(shù)具有顯著優(yōu)勢。

空間功率合成技術(shù)是在傳統(tǒng)功率合成技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，是多個射頻單元在自由空間進行輻射，在某個位置通過調(diào)節(jié)其發(fā)射頻率和相位進行矢量疊加，可在較大范圍內(nèi)輻射更高強度的功率，改善單個功放器件輸出功率不足的問題［3］。本文主要關(guān)注空間功率合成的相關(guān)技術(shù)，對該技術(shù)研究現(xiàn)狀進行總結(jié)，并對其在導(dǎo)航干擾領(lǐng)域的關(guān)鍵問題進行分析。

1 功率合成技術(shù)

1.1 功率合成技術(shù)的發(fā)展

20 世紀(jì)50 年代，行波管作為一種大功率的電真空器件，可以提供高效、寬頻的功率，但由于其體積大、電壓高、壽命短，在軍事裝備的應(yīng)用中可靠性差，難以滿足需求。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，20 世紀(jì)70 年代，一種基于單片微波集成電路（monolithic microwave integrated circuit，MMIC）的功率放大器芯片問世并被應(yīng)用于各類裝備中，其解決了行波管存在的體積和壽命問題，但同時因制作工藝、半導(dǎo)體材料、散熱問題的限制難以滿足大功率的需求。為了解決裝備大功率的需求，突破功放芯片問題的限制，提出了功率合成技術(shù)。如圖1 所示，功率合成技術(shù)主要是指將多個功率放大器組合在適當(dāng)?shù)暮铣删W(wǎng)絡(luò)中，各路信號在網(wǎng)絡(luò)中特定合成點處保持相同的相位和頻率關(guān)系進行疊加，得到遠(yuǎn)高于單個功率放大器的輸出功率。

圖1 功率合成基本原理Fig. 1 Fundamentals of power combining

經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，目前功率合成技術(shù)主要類型有［4］：①芯片級功率合成；②電路級功率合成；③空間功率合成；④混合型功率合成；⑤其他功率合成。具體分類如圖2 所示。

圖2 功率合成主要類型Fig. 2 Main types of power combining

1.1.1 芯片級功率合成

芯片級功率合成是發(fā)展最早的一項合成技術(shù)，通過在散熱基片上集成管芯同時匹配相應(yīng)的輸入與輸出電路進行功率合成［5］。1968 年，Josenhans 利用安裝在散熱器上的3 個串聯(lián)二極管，在13 GHz 處產(chǎn)生了合成效率為6.4%的4.5 W 連續(xù)波輸出［6］。1971 年，Kurokawa 等在波導(dǎo)腔內(nèi)用12 個封裝的雪崩二極管（IMPATT）二極管進行組合，在9.1 GHz 處產(chǎn)生了10.5 W 的功率輸出［7］。雖然芯片級功率合成性能穩(wěn)定，電路體積小，便于設(shè)計，但是由于在高頻段時電路體積縮小，芯片散熱問題突出。半導(dǎo)體材料損耗較高、芯片制作工藝不夠先進也會導(dǎo)致合成效率較低、輸出增益小，難以滿足大功率的輸出。

1.1.2 電路級功率合成

電路級功率合成技術(shù)是基于芯片級功率合成技術(shù)的發(fā)展，將信號通過多級功率分配網(wǎng)絡(luò)等分成Nn路，在每一路將信號通過功放器件進行放大，將放大后的信號再逐級進行矢量耦合和疊加，提高輸出功率［8］，其基本原理如圖3 所示。由于其設(shè)計思路清晰、器件加工簡單、幅相一致性較好，且電路的匹配和調(diào)試易于開展，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛使用。其可分為諧振腔合成和非諧振腔合成，實際應(yīng)用主要有 分 支 線 電 橋、Lange 電 橋、Wilkinson 電 橋 等［9-10］。以非諧振腔合成的鏈?zhǔn)今詈虾铣蔀槔?，通過N個不同的分支將輸入信號進行耦合，為保證幅相一致性將功分網(wǎng)絡(luò)和合成網(wǎng)絡(luò)進行反向連接。2003 年至2004 年，JIANG Xin 等 人 設(shè) 計 制 作 了 由8 個MMIC 組成的功率放大器，在33 GHz 處功率合成效率約為80%［11-12］。2008 年，ZHONG Shichang 等人在X 波段采用單芯片和四芯片的組合設(shè)計電路，得到了119.1 W 的連續(xù)波輸出功率，將合成效率提升了38.2%［13］。但是隨著輸出功率增大，其合成級數(shù)不斷增加，導(dǎo)致電路級功率合成的傳輸線損耗和功率放大器的體積不斷增長，合成效率不斷降低。

圖3 電路級合成基本原理和鏈?zhǔn)胶铣墒疽鈭DFig. 3 Basic principle of circuit-level combining and schematic diagram of chain combining

通過前2 類技術(shù)的分析和對比及已有研究的成果來看，此2 類合成技術(shù)工作帶寬限制于基本單元，器件體積和損耗較大，合成效率較低，難以滿足大功率設(shè)備的需求。通過對比2 類功率合成技術(shù)的優(yōu)缺點如表1 所示，并在此基礎(chǔ)上提出空間功率合成技術(shù)。

表1 2 類功率合成技術(shù)最新成果Table 1 Latest results of two power combining technologies

1.2 空間功率合成技術(shù)原理

空間功率合成技術(shù)源于對微波毫米波的研究，毫米波固態(tài)功放在芯片級、電路級功率合成中受到自身物理特性和材料工藝等方面的影響，合成效率無法提高，輸出功率無法達標(biāo)。國外在20 世紀(jì)80年代基于天線與電波傳播理論提出了空間功率合成技術(shù)并進行了設(shè)計試驗。

通過天線與電波傳播理論［14］可知，設(shè)天線增益為G，單位發(fā)射天線的輸入功率為P，在自由空間傳播時距離天線r處的信號強度E為

式中：θ為信號到達相位。

N個單位發(fā)射天線進行疊加組成天線陣在r處的場強Et為

假設(shè)各單位發(fā)射天線的增益和輸入功率相同，則每個單位發(fā)射天線在r處的場強為

則整個天線陣列在距離為r處的場強為

上述公式僅作為理論依據(jù)，在實際應(yīng)用陣列天線進行功率合成時需考慮各類損耗、各單位發(fā)射天線相互之間的干擾及空氣對電波傳播的影響等因素，經(jīng)過幾十年的發(fā)展現(xiàn)階段其主要合成類型有準(zhǔn)光空間功率合成、波導(dǎo)空間功率合成和自由空間功率合成。

1.2.1 準(zhǔn)光空間功率合成

準(zhǔn)光空間功率合成技術(shù)是在滿足準(zhǔn)光穩(wěn)定時，利用透鏡、偏振器等器件將每一路信號放大后在準(zhǔn)光腔內(nèi)進行合成，其準(zhǔn)光腔腔距和諧振頻率有關(guān)。1983 年，Wandinger L. 和Nalbndian V. 提出了準(zhǔn)光空間功率合成技術(shù)并進行試驗，利用2 個60 GHz 的Gunn 振蕩器進行合成，合成效率達到54%［15］。2005年，Judaschke R. 設(shè)計了一種150 GHz 線性振蕩器陣列的準(zhǔn)光功率合成器，在自由模式和鎖定模式下連續(xù)波輸出功率分別為78.0 W 和83.5 W，合成效率約為66.5%和71.2%［16］。2020 年，楊振宇通過設(shè)計多反射面的準(zhǔn)光功率合成器，在94 GHz 處合成效率達到74.6%［17］。其設(shè)計理論較為成熟，但具體器件仍存在帶寬受限、散熱難和合成效率低等問題，應(yīng)用前景不夠廣闊。

1.2.2 自由空間功率合成

自由空間功率合成是多個功放單元通過天線輻射在自由空間中，在某一點進行矢量疊加，通過發(fā)射機使其向某一特定的方向進行輻射，可以看作準(zhǔn)光功率合成技術(shù)的變形。1981 年，Durkin 等首次提出空間功率合成的概念，并完成了35 GHz 的有源陣列的合成，得到了29 dBi 的陣列增益［18］。但是大多數(shù)自由空間功率合成受到器件間的匹配和注入鎖定功率輸出等問題，導(dǎo)致性能較差，合成效率和輸出功率不夠，散射損耗較大，同時受到天線帶寬的影響難以進行整機集成。2006 年，章宇兵等采用振源天線任意分散布陣，合成效率達到70%［19］。2010 年，陳鑫等采用拋物面天線陣列進行功率合成，將合成效率提高至92%，有效減少了空間中的散射損耗［20］。通過有源天線陣列的相控陣法，有效提升了輻射功率和天線增益，被廣泛應(yīng)用于通信、雷達和干擾機等領(lǐng)域的功率合成。2018 年，LI Bin等通過傘形陣列功率合成方法，在25～30 GHz 處將合成功率提高了26%［21］。

1.2.3 波導(dǎo)空間功率合成

1997 年，由Alexanian A. 和York R. A. 提出基于波導(dǎo)的空間功率合成技術(shù)，通過槽線到微帶的過渡和封裝提升了電路的合成效率，在X 波段8～12 GHz 處合成效率達到68%［22］。相比于前2 種合成技術(shù)，波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成技術(shù)使用封閉結(jié)構(gòu)解決了散射損耗問題，通過設(shè)計波導(dǎo)到微帶線的轉(zhuǎn)化電路解決了帶寬限制的問題。2010 年，陳明勇等人研究了一種Ka 波段徑向波導(dǎo)的空間功率合成網(wǎng)絡(luò)，通過仿真發(fā)現(xiàn)在32.7～38.8 GHz 內(nèi)回波損耗小于-20 dB，插入損耗小于0.065 dB，可用于波導(dǎo)功率合成器的設(shè)計［23］。2017 年，徐永杰等人設(shè)計研制了波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成放大器，在13.75～14.5 GHz 輸出功率大于46.8 W，合成效率約為78%［24］。2021 年，于士同等人通過微機電系統(tǒng)（micro-electromechanical system，MEMS）技術(shù)在90～96 GHz 頻帶內(nèi)將合成效率提高至95%以上，有效提升了合成器件的空間利用率［25］。

表2 中總結(jié)了各類空間功率合成技術(shù)的最新成果，隨著裝備和系統(tǒng)對輸出功率的要求逐步提升，波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)和自由空間功率合成技術(shù)逐步成為主流，實際應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合裝備狀態(tài)、技術(shù)需求等，發(fā)揮各類技術(shù)優(yōu)勢進行綜合設(shè)計，使設(shè)備呈現(xiàn)高功率、高增益和輕量化特性。

2 空間功率合成關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)空間功率合成原理，其主要是利用多個發(fā)射天線組成有源天線陣列，發(fā)射頻率、相位符合電磁計算關(guān)系的輻射波束，在空間中進行功率疊加，在特定距離和方位實現(xiàn)高密度的能量波束。數(shù)字波束合成技術(shù)作為空間功率合成的關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)外的通信、導(dǎo)航衛(wèi)星上均有體現(xiàn)，主要是完成信號采樣、波束形成等功能。在產(chǎn)生相同波束數(shù)量的情況下，該技術(shù)可解決設(shè)備功耗過大和設(shè)備體積受器件數(shù)目的限制的問題，同時可對資源進行高效合理的分配，使干擾設(shè)備發(fā)揮最大效能［26-27］，同時便于在合成網(wǎng)絡(luò)中調(diào)整相位和幅度的誤差，靈活性較高。在處理信號時也不受空間的影響，在很大程度上增強了可靠性，提高了波束形成的功率能量密度［28］。國內(nèi)最早是在“神舟”飛船上搭載L 波段相控陣天線，中國空間技術(shù)研究院采用超過10 m 的大型反射面天線為其提供低軌通信能力。后續(xù)著力開發(fā)基于數(shù)字波束合成技術(shù)的有源相控陣，以滿足帶寬和大功率干擾及抗干擾的需求［29］。在導(dǎo)航干擾領(lǐng)域有利用數(shù)字波束技術(shù)的自適應(yīng)調(diào)零天線對接收終端進行抗干擾。經(jīng)過多年發(fā)展，現(xiàn)階段基于相控陣技術(shù)出現(xiàn)了多種數(shù)字波束合成技術(shù)，主要有平行波束合成、聚焦波束和合成和交叉波束合成方法［30］。

2.1 平行波束合成

相控陣?yán)走_主要由平面陣列天線組成，結(jié)合T-R 組件和其他電路來進行信號的幅相控制。其主要通過發(fā)射平行波束來實現(xiàn)合成功能，通過N個天線單元組成天線陣列，在俯仰角和方位角2 個方向?qū)嵭刑炀€的波束合成［31］。越來越成熟的平面相控陣技術(shù)已成為各個國家軍事裝備的核心，尤其在航空和航海領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

2. 2 聚焦波束合成

與平面相控陣?yán)走_不同，聚焦波束合成利用的是拋物面陣列。將單位發(fā)射天線安裝在拋物面的不同位置，將各個發(fā)射天線的波束聚焦在拋物面的焦點位置，使其在此位置功率較高［32］。聚焦波束受到其表面電流分布的影響，只能采用密集陣列天線來合成功率，因此在設(shè)計時利用軸對稱和低旁瓣的輻射特性。

2. 3 交叉波束合成

交叉波束合成是在波束區(qū)域內(nèi)進行不同振源間的相互干涉進行合成，主要與干涉條紋間距、干涉相長的點位置以及振源頻率有關(guān)。在兩點源交叉波束的基礎(chǔ)上增加振源，通過調(diào)節(jié)多個振源的波束交叉點和振源之間的相互交叉角來確定空間中的有效功率點，得到最大的功率合成位置［33］。

如表3 所示，通過對空間功率合成中3 類關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)缺點的對比，可在不同需求的裝備中使用不同的技術(shù)?，F(xiàn)階段衛(wèi)星導(dǎo)航星上設(shè)備中多使用有源相控陣的平行波束合成和聚焦波束合成，但在大功率導(dǎo)航干擾領(lǐng)域未見具體應(yīng)用技術(shù)，現(xiàn)就其在導(dǎo)航大功率干擾領(lǐng)域的應(yīng)用進行分析。

3 空間功率合成技術(shù)在導(dǎo)航干擾領(lǐng)域關(guān)鍵問題分析

近年來隨著導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展和在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為艦艇、坦克等軍事裝備和戰(zhàn)斗人員高精度定位最主要的手段，需要解決在復(fù)雜電磁環(huán)境下導(dǎo)航終端的干擾和抗干擾問題。由于導(dǎo)航衛(wèi)星軌道高度平均處于20 000 km，結(jié)合衛(wèi)星發(fā)射功率和電池壽命的限制，信號到達地面時極其微弱。如表4 所示，導(dǎo)航信號的脆弱性導(dǎo)致其容易受到各類信號源的干擾，對導(dǎo)航終端的干擾可根據(jù)目標(biāo)信號帶寬不同、干擾作用時間不同和干擾來源不同分為多種干擾類型。我國“北斗”導(dǎo)航終端受到的干擾主要有阻塞式干擾和瞄準(zhǔn)式干擾2 種形式。在海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等現(xiàn)代軍事行動中，對導(dǎo)航終端的干擾多以窄寬干擾為主。

表4 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾技術(shù)主要類型Table 4 Main types of jamming technology for satellite navigation system

壓制式干擾是利用發(fā)射機產(chǎn)生與衛(wèi)星導(dǎo)航信號頻率相同的射頻干擾信號，使導(dǎo)航接收機失去工作能力。壓制式干擾受到地形和空氣的遮蔽影響較大，同時覆蓋范圍較廣，所需的干擾功率較大，不僅要超過熱噪聲的功率，還要超過導(dǎo)航信號的處理增益Gp?，F(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備信號頻率絕大部分處于L 波段，目前L 波段小型固態(tài)功放的脈沖功率已達40 kW，但仍存在傳輸線損耗和熱損耗較大、器件結(jié)構(gòu)空間有限、半導(dǎo)體材料限制等問題。在軍事領(lǐng)域特別是海戰(zhàn)場環(huán)境中，對大功率壓制干擾的需求更為突出。在戰(zhàn)爭中若遭遇對手對我方艦艇導(dǎo)航設(shè)備進行干擾，需要大功率干擾站來反制對手。例如在艦艇平臺中艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計精簡化、設(shè)備集成化，但現(xiàn)有大功率壓制干擾機設(shè)備絕大部分為固態(tài)功放，所占空間較大，難與艦艇設(shè)備進行高度集成，且固態(tài)功放工作時溫度較高，對艦艇自身安全和隱蔽性影響較大。為提升導(dǎo)航干擾設(shè)備的輸出功率，增大合成效率，同時使設(shè)備小型化，提出了在導(dǎo)航干擾設(shè)備中引入空間功率合成技術(shù)，利用相控陣平面來提高發(fā)射功率，未來計劃設(shè)計一款具有高效集成的小體積大功率導(dǎo)航干擾站。結(jié)合該技術(shù)的優(yōu)缺點分析，現(xiàn)階段主要存在以下幾個問題：

（1） 器件功率容量不夠。L 波段相較于S 波段及更高頻率波段頻率較低、波長較長，使其在相同體積器件內(nèi)的功率容量較小，輸出功率無法達到相應(yīng)的技術(shù)要求。若采用大體積固態(tài)功放則導(dǎo)致干擾設(shè)備體積過大，與輕量化、小型化的要求相矛盾。

（2） 電磁兼容要求較高。例如搭載平臺需要處理各類復(fù)雜的通信、雷達及衛(wèi)星導(dǎo)航信號，已有的相控陣?yán)走_和通信等設(shè)備的天線電磁設(shè)計已較為成熟，各類平臺再搭載導(dǎo)航干擾設(shè)備相控陣天線需重新進行電磁設(shè)計，對整個搭載平臺電磁兼容提出了更高的要求。

（3） 同時產(chǎn)生多頻點寬帶干擾信號較困難。各類導(dǎo)航系統(tǒng)有不同的載波頻率、信號帶寬及調(diào)制方式，例如GPS 目前提供服務(wù)的信號包括L1，L2 和L5。L1 頻段載波頻率為1 575.42 MHz，其C/A 碼采用BPSK-R（1）調(diào)制方式，帶寬為2.046 MHz；P（Y）碼采用BPSK-R（10）調(diào)制方式，帶寬為20.46 MHz。L2 頻段載波頻率為1 227.6 MHz，其P 碼采用BPSK（10）調(diào)制方式，M 碼采用BOC（10，5）調(diào)制方式，帶寬為20.46 MHz。L5 頻段載波頻率為1 176.45 MHz，其采用QPSK-R（10）調(diào)制方式，帶寬為20.46 MHz。GLONASS的G1頻段載波頻率為1 602+0.562 5 k MHz，G2 頻段的載波頻率為1 246+0.437 5 k MHz，其均采用BPSK（0.5）調(diào)制方式，帶寬為1.022 MHz。對其按照相近頻率進行合并，可劃分為1 150 ～1 300 MHz，1 550～1 650 MHz 2 個頻段，若需對所有導(dǎo)航系統(tǒng)不同信號分量同時進行干擾，則需要同時產(chǎn)生多個不同頻點且?guī)捴辽?00 MHz 的干擾信號，其設(shè)計較為困難。

針對以上問題，可采用空間功率合成技術(shù)設(shè)計一款使用相控陣平面的導(dǎo)航大功率干擾站，從相控陣器件的原理設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計，信號處理算法等方面解決，并進行相關(guān)試驗的驗證。使導(dǎo)航干擾設(shè)備具有輸出功率更高、合成效率更高、適于高溫環(huán)境和輕量化的優(yōu)點，能適應(yīng)搭載平臺的需求。

4 結(jié)束語

目前，空間功率合成技術(shù)正處于高速發(fā)展階段，相較于其他技術(shù)，可利用該技術(shù)有效提高導(dǎo)航干擾設(shè)備的干擾能力，改善輸出功率不足的問題，適應(yīng)未來戰(zhàn)爭發(fā)展需求。本文通過分析空間功率合成技術(shù)原理和大功率導(dǎo)航干擾站的設(shè)計思路，同時為提高導(dǎo)航大功率干擾站在搭載平臺上的發(fā)射功率，考慮從以下幾個方面著手：

（1） 采用空間功率合成技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)有的空間功率合成技術(shù)，選擇在L 波段合成效率較高的合成技術(shù)，到目前為止鮮有相關(guān)技術(shù)在導(dǎo)航干擾領(lǐng)域的應(yīng)用。通過建立精確的電磁場模型及參數(shù)求解方法，模擬導(dǎo)航大功率干擾站在空間中的發(fā)射功率及電磁模型。

（2） 有效的功率合成算法?；诳臻g功率合成技術(shù)設(shè)計或改進相關(guān)算法，使得在具體裝備的應(yīng)用中能提供高效穩(wěn)定的功率輸出。目前有通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的天波延遲估計算法來改進羅蘭接收系統(tǒng)的應(yīng)用［34］，但在導(dǎo)航干擾領(lǐng)域需更具有前瞻性的算法。

（3） 優(yōu)化干擾站的空間分布和電磁設(shè)計?，F(xiàn)有的固態(tài)大功率干擾站均是獨立運行，且體積龐大，為提高大功率干擾站在搭載平臺的應(yīng)用率，需結(jié)合現(xiàn)有各類搭載平臺的相關(guān)設(shè)備和結(jié)構(gòu)優(yōu)化干擾站的設(shè)計，以獲得更好的功率合成效果。