学术：一种X波段宽带双波束相控阵干扰机设计
今日荐文的作者为中国电子科技集团公司第三十八研究所专家樊锡元，沈项东。本篇节选自论文《一种X波段宽带双波束相控阵干扰机设计》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第5期。下面和小编一起开始学习吧~
引 言
近年来, 雷达界不断应用新技术, 如频率、波束、波形、功率、重复频率等雷达基本参数的捷变或自适应捷变技术, 功率合成、匹配滤波、相参积累、恒虚警处理、大动态线性检测技术、多普勒滤波技术, 低截获概率技术, 极化信息处理技术, 扩谱技术, 超低旁瓣天线技术, 多种发射波形设计技术, 数字波束形成技术等; 并在采用新技术的基础上, 开发研究出了多种先进的雷达系统, 如有源固态相控阵雷达、超宽带合成孔径及逆合成孔径雷达、低截获概率雷达、新型脉冲多普勒雷达、稀布阵综合孔径( 米波) 雷达、毫米波雷达、双/ 多基地雷达、组网雷达、数字阵列雷达、统计多输入多输出( MIMO) 雷达等。这些新体制雷达拓展了雷达应用领域。研究这些新体制雷达对于弄清其工作原理、找到其薄弱环节、采用有针对性的雷达对抗技术和方法尤为必要。
雷达对抗技术研究在复杂电磁环境下实现对机载AESA雷达信号的高概率侦察截获，快速有效地分选、识别出机载AESA雷达信号及主要工作模式，选择最佳干扰方法和干扰样式，实现快速高效的干扰引导；能够根据侦察设备提供的干扰决策指令和干引导参数，采取针对性的干扰方法和干扰样式，实现对机载AESA雷达空面模式的高效干扰 。
本文阐述一种应用在对机载AESA对抗技术干扰机，采用并行发双波束相控阵体制，可以快速灵活实现不同频率、不同带宽、不同指向空间双干扰波束。工作频段X波段，瞬时带宽1GHz，工作带宽4GHz，连续波工作，等效辐射功率在43dBW。采用不同的干扰策略，可以有效实现对空中双目标的欺骗式干扰和压制干扰。
1 整体方案结构
在现代战争中，地面同时要面对空中多种威胁，对抗设备需要根据侦查接收的结果，采用不同策略应对同时的多目标。本设备采用相控阵体制，可以实时快速对空中目标进行干扰；同时采用并行发射体制，可以实时形成不同频率、不同带宽、不同指向空间多干扰波束，有效提高干扰战术效能，同时也降低设备需求量，降低了工作成本。总体考虑，多波束虽能提高效能，但三波束及更多波束并行发射有以下不利影响：
l 多激励经发射功放输出，带来大量的交调分量，降低了主频的发射功率，辐射威力降低。
l 三波束交调分量对波束形成具有一定干扰偏离，由于互相间相位牵引在宽带工作波束指向有较大偏差。
l 三波束对波束控制编码硬件及软件要求更高。
综上所述，考虑到战术性能和设计成本及技术风险，本设计采用双波束并行发射相控阵体制。上述因素双波束模式下尚在工程应用可以控制范围。
对机载AESA雷达对抗技术设备由主站和辅站两套相对独立的装备组成，工作时在不同的阵地布站，二者通过微波通信设备进行信息交互。主站的总体布局如图1所示，它主要由四部分组成：侦察单元、干扰单元、微波通信天线以及工作方舱。侦察单元通过长射频电缆与设备方舱中的接收分机相连，干扰单元通过长射频电缆与工作方舱中的激励分机相连，侦察单元和干扰单元均设计天线支架并将天线架高2~3m。微波通信天线可采用铁塔架高10m左右，与设备方舱也通过射频电缆连接，用于传输微波通信信号。
图 1 主站布局图
辅站采取与主站相同的结构形式，即各类天线单元布置在方舱周围不同位置，其他分机安装在方舱内的机柜之中，舱内与舱外设备通过长射频电缆连接。不同的是辅站不具备干扰功能，因此没有干扰单元。
干扰单元（本文称干扰机）主要由有源阵面发射阵面、水冷分机、电子罗盘、全向云台以及天线支架五部分组成，其结构示意图如下图2所示。水冷分机用于给阵面电子分机中各功放组件散热。本文主要对有源发射阵面设计进行分析。
图 2 干扰机示意图
1.1 指标要求
干扰机技术主要技术指标如下：
l 工作频率：X波段（4GHz带宽）；
l 输入激励个数：2个
l 激励信号最大带宽：1GHz；
l 天线体制：一维有源阵列；
l 单元个数：4×32；
l 极化方式：斜极化；
l 扫描范围：±30°；
l 俯仰向波束宽度：≥16°
l 天线增益：≥21dB；
l 等效辐射功率：43dBW
l 发射通道个数：32
l 波束转换速度：100us以内；
l 发射通道稳定性：
相位±5º、幅度±1dB；
1.2 干扰机设计框图
干扰机的主要功能是接收侦查分系统送入的两路射频激励信号，分别在任务电子分系统的控制下完成1路1：4功分、4路延迟补偿放大、4路1：8功分、32单元数控移相，两路激励各32个输出通道两两微波合成后进行功率放大，最后将各路功放组件的输出送入对应的发射天线单元。
干扰发射阵面在结构上采取一体化设计，整个阵面电子分系统作为一个室外发射单元，利用长电缆与室内激励通道连接。室外发射单元主要由2个1：4功分网络、8个延迟放大组件、8个1：4功分网络、32个双频发射组件、校正网络、32个天线单元、水冷分机、低压电源以及波控模块组成，原理框图如图3所示。
图 3 干扰机功能设计原理框图
干扰机采用并行发射多波束体制，采用双干扰激励，分别移相布阵，再混合共用发射功放和天线阵面，同时形成2个发射干扰波束。利用这个特点同时对空中不同方向2个目标实现有效干扰，具有更大的工作灵活性。
2 电路设计
2.1 天线单元
根据天线的带宽要求及对单元体积、重量方面的限制，考虑以微带振子作为基本辐射单元组成干扰天线阵。微带振子天线重量轻、成本低、批生产加工精度高、阵面组成易于一体化等优点，较波导裂缝等天线形式更适合在X频段使用。为了实现X波段收发天线的波束宽度和方向性的要求，利用线阵的形式压窄波束宽度。
天线单元采用在微带板上蚀刻振子图形的方式实现。微带板材料选为Rogers RO4003C，介电常数为3.38，厚度均为0.508mm，如图4所示。在要求的频率范围内，单元驻波优于1.35。E面的3dB波束宽度为45º~91º，H面的3dB波束宽度为89º~116.5º。
图 4 微带阵子单元
2.2 天线线阵
天线单元倾斜45º布阵，单元极化方向也偏离水平极化方向45º。单元的电场分量分解到水平极化和垂直极化方向相等，恰好实现了斜极化的要求。
天线阵面由32个单元线阵组成。根据扫描的要求，线阵间距取为15mm。阵面布局如图5所示。图6、图7为不同方位面的方向图。表1为不同频率方位面参数。
图 5 天线阵面布局图
图 6 F0 扫描0°
图 7 F0 扫描30°
表 1 天线阵面方位面参数
频率(GHz) | 方位面3dB波束宽度(º) | 方向性(dB) |
F0-2 | 3.96 | 25.2 |
F0-1 | 3.52 | 26.2 |
F0 | 3.17 | 27.0 |
F0+1 | 2.88 | 27.8 |
F0+2 | 2.64 | 28.6 |
天线增益可以用方向性减去单元损耗、电缆损耗、功分网络损耗和校正网络损耗来估算。考虑各种馈线损耗，实际测试，全频带范围内增益大于22dB。
2.3 阵面延时放大组件设计
对于宽带相控阵雷达天线，在宽角扫描情况下，其瞬时工作信号带宽受空间色散效应和时间色散效应的限制。因此需要考察在相应影响的前提下，决定是否在阵列单元或阵列子阵级别上采用实时延迟补偿。
阵列共32个单元，工作中心频率f0，带宽△f＝1GHz，实现±30°扫描。实际单元间距为d＝15mm，阵长L＝465mm。
宽带对阵列特性的影响可以从三个方面来评估，分别是：对波束指向的影响、对瞬时信号带宽的限制和对宽带LFM信号调频速率的限制。天线系统若不加实时延时线，要实现1GHz瞬时信号带宽对波束指向偏移和时间色散对带宽、时宽限制数据如表2所示。
表 2不加延迟线宽带宽角扫描时宽、带宽限制
不加延迟线 | |
扫 描 角（°） | 30 |
波束指向偏移量（°） | 2.06 |
时间色散对带宽的限制（MHz） | 125 |
1000MHz瞬时带宽对脉宽限制（ns） | ＞9.61 |
由表中数据可以看出，本系统1GHz瞬时信号带宽的实现主要受限于波束指向的偏移和时间色散的影响，因天线阵面较小，对脉宽的限制很小，可不做考虑。同时，上述考虑孔径渡越时间对带宽的限制时，按严格要求，信号展宽时间按压缩后脉冲宽度的1/10考虑，若按基本要求信号展宽时间按压缩后脉冲宽度的1/2考虑，则表中“时间色散随带宽限制”一项对带宽限制为625MHz，仍不能满足宽带扫描要求，因此必须加延迟线以解决色散问题。
在每个单元添加实时延时线，设备复杂，损耗很大，为节省设备的数量，通常在子阵级添加实时延时线，只进行部分时间延迟补偿，也可提高相控阵天线的宽带特性。
子阵数目m的计算：
m：子天线阵数目；n：信号展宽时间按压缩后脉冲宽度的1/n；△ f：宽带带宽。
设计采用分为4个子阵，每个子阵单元数为8个，在子阵间添加4位实时延迟线，，步进为0.6l0，延迟线最大波长9l0。此时可实现的瞬时带宽在为1032MHz，最大扫描范围30°。
子阵划分对波束指向偏移的改善效果，其仿真结果如图8所示。其30º波束指向的偏差仅为0.3º。
图 8 F0经延迟线修正的方向图
由于干扰机采用双模拟波束模式，干扰激励输入为2路，延时放大组件共需要8个。其实物如下图：
图 9延时放大组件实物
2.4 馈线电路
无源天线阵面与有源组件之间需要各种馈线设备，主要包括：输入激励功分、延时放大输出功分、发射通道输出功分耦合、校正网络及传输电缆。
l 输入激励功分：按子阵及双路干扰激励要求，1分4分配器2个；
l 延时放大输出功分：按子阵及双路干扰激励要求，1分8分配器4*2个；
l 发射通道输出功分耦合：按天线阵面要求，1分4功分耦合器32个，耦合端口输出用于校正网络。
l 校正网络：网络入口为32路1分4功分耦合器耦合功率入，采用32：1合成，输出口去校正检测电路，测试与输入激励端口的ФS21。
l 传输电缆：上述各设备之间连接需要大量传输射频电缆，采用高频低损耗保相电缆，保证系统损耗及相位一致性指标。
2.5 发射组件设计
发射组件实现双干扰激励数控移相、激励混合、功率放大功能。发射组件包含32个发射通道。8个通道形成1个组件，还包含了电源调制电路和BITE电路。
l 双频双移相模块
双频双移相模块功能实现双干扰激励
数控移相，包含1个波控数字芯片和2个6位数控移相芯片。波控芯片提供串并转化电路，接受波控电路串行码，产生并口TTL信号控制2个6位数字移相芯片，其控制流程框图见图10。
图 10 控制驱动集成电路功能框图
工程设计采用LTCC制作电路板，形成电路小型化。模块盒体采用可伐材料，采用MCM微组装工艺。实物图片如下.
图 11 双频双移相模块
l 双激励混合电路
双激励混合电路实现双干扰激励模拟混合，以实现并行发射双波束[6]。由于工作带宽较宽，采用2级微带威尔金森合成电路合成，隔离端口采用微波贴片电阻，可以实现2端口间18dB左右隔离。
图 12 激励混合电路
l 连续波功率模块
连续功率模块实现混合激励的功率放大，端口输出功率大于5W。模块为饱和放大，增益约40dB，由2级X波段功率芯片级联组成，效率大于30%。工程设计采用RT5880微带板制作电路板，形成小型化电路。由于工作带宽4GHz，合理设计芯片输入、输出匹配电路，以获得较均衡的带内功率输出、工作效率，同时良好的匹配电路可以很好屏蔽路回授造成级联功率放大自激效应。设计中考虑电磁兼容要求，对2级放大进行合理的级间隔离；考虑模块腔体效应，合理设计结构尺寸，加入微波吸收材料屏蔽高次模自激效应。模块盒体采用可伐材料，考虑到功率芯片散热需求，底部烧结无氧铜衬底，采用MCM微组装工艺。
图 13连续波功率模块
发射组件包含8个发射通道，每个通道包含上述双干扰激励数控移相、激励混合、功率放大，还包含电源调制开关及BITE控制电路。
在通道设计主要考虑到X波段射频工作腔体效应。考虑腔体效应，通道宽度必须在传输方向上限制40mm内，以避免形成高次本征模式自激。设计中采用加金属隔筋以限制腔体宽度。设计中同时还采用微波吸收材料固定在盖板及射频模块顶部，对射频微带半开放场进行吸收屏蔽。
设计考虑射频模块在路传输的电特性方面，通道微带传输电路的宽带匹配特性。虽然功率芯片输入、输出匹配电路进行了内匹配，但在实用过程中发现在宽带4GHz应用中，负载驻波牵引效应非常明显，极易造成射频链路自激或带内输出指标起伏巨大。造成微带传输电路失配的主要因素在功率芯片输入、输出端口及模块输入、输出端口与微带传输连接处的缝隙。由于目前工艺，这种传输缝隙一般只能控制在200um~500um。较大的缝隙的射频电感效应导致较大的驻波，从而引起功率芯片电路S参数强烈变化。S12参数恶化会导致电路自激，极易损坏功率芯片。S21参数恶化带来带内输出指标起伏巨大。设计中通过在缝隙处加入具有电容效应的调试小岛形成匹配补偿，得到较好的宽带工作特性指标。
散热设计上采用水冷结构。结构尺寸473*266*36mm，实物图片如图14，测试数据见表3、表4。
图 14 发射组件（含8发射通道）
表 3 发射通道实测数据1
表 4 发射通道实测数据2
注：A代表A路干扰激励输入，B代表B路干扰激励输入
有源发射阵面等效辐射功率计算如下：ERP=10log32*5+22=44dBW (公式2)
2.6 波控电路设计
波控电路是发射通道各控制端口与整机系统总控之间二级枢纽。一方面，接收系统总控下行控制数据流，进行数据分析、存储及地址分配、数据分配等功能，产生并口工作时序控制TTL信号用于控制各发射通道工作状态；产生A、B干扰激励延时放大组件及发射通道波位控制码，打入各通道，形成发射双波束阵面布相功能。另一方面，将各设备BITE信号回馈至总控系统。其在总机系统中工作流程框图如下：
图 15 波控电路工作框图
图 16 波控电路实物
3 测试结果及分析
X波段宽带相控阵干扰机主要包含有源阵面发射分机和水冷分机，实物如图17所示。
图18所示为有源发射阵面在近场暗室测试框图。
图 17 有源发射阵面及水冷分机
3.1 全频段扫描30度后垂直/水平极化波束形成
对于有源发射阵面波束指向30度方向的测试，总共测了9个频点，间隔500MHz，每个频点分别测试垂直极化性能和水平极化性能。图19给出F0频率300波束形成图。
图 18 有源发射阵面近场测试框图
图 19 有源发射阵面30°波束形成
测试结论：各频点两个极化扫描30度时，波束形成均较好，基本接近理论水平。
3.2 宽带波束形成测试
针对有源发射阵面的宽带波束形成能力，以“FoGHz/-22度“布相，8.2~12范围内9频点测试，测试结果如下：
图 20 有源发射阵面-22°宽带波束形成
测试结论：有源发射阵面采取子阵延迟线方式，设计满足1.2GHz宽带波束形成能力。
3.3 同频双波束测试
针对有源发射阵面的同频双波束形成能力测试，测试结果如下图：
图 21 同频双波束形成测试
测试结论：有源发射阵面同时形成了两个发射波束。
3.4 异频双波束测试
针对有源发射阵面的同频双波束形成能力，测试结果如下图：
图 22异频双波束形成测试（方位图）
图 23 异频双波束形成测试（俯仰图）
测试结论：对于两路频率不同的激励信号，分别经过移相网络、微波合成、饱和放大后从斜极化天线阵面辐射，每个频点在设置的方位都可以正确地形成发射波束。
4 结 语
本文对X波段宽带双波束相控阵干扰机进行详细分析。干扰机采用了X波段宽带一维相控阵天线、宽带连续波发射功放、宽带延时放大补偿子阵、数字波控移相、并行发射双波束等关键技术。在暗室近场测试，证明能正确、迅速灵活形成宽带、不同频率、不同指向的干扰双波束，配合对抗侦查接收设备采用不同干扰策略，有效实现针对敌对目标的欺骗式干扰和压制干扰。该电子对抗技术体制新颖，在国内处于领先水平，具有广泛的应用前景。
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