多波束及其在無人機上的應用

韓 劍，張 杰

（電子信息控制國家重點實驗室，四川成都610036）

0 引言

無人機用于電子戰(zhàn)是軍用無人機應用領域的一個重要分支，已越來越引起人們的關注。但由于相控陣雷達特別是有源相控陣雷達的廣泛使用，無人機面臨著新的威脅，這就對無人機電子戰(zhàn)設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的多目標干擾能力。多波束技術(shù)對相控陣雷達具有較好的適應能力，能較好地滿足以上要求。

1 多波束原理及適應能力

1.1 多波束原理及實現(xiàn)

電子戰(zhàn)中多波束主要由透鏡方式實現(xiàn)，其在車載和艦載電子戰(zhàn)設備中已有使用。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。當從某一波束口饋電時，電磁波在透鏡內(nèi)傳播，到達陣元口后，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 多波束的適應能力

1.2.1 多波束對相控陣雷達信號適應能力

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。只要相控陣雷達在該視場范圍內(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)對相控陣雷達信號的接收難題。

圖2 多波束空域截獲能力示意圖

2）帶寬適應能力

透鏡采用實延時技術(shù)，無色散，不會出現(xiàn)普通相控陣干擾機中波束指向和頻率耦合的現(xiàn)象，波束指向帶寬達數(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，可適應相控陣雷達中的頻率捷變、掩護脈沖的信號形式和寬帶脈內(nèi)調(diào)制。如，機載AESA雷達在4GHz頻率范圍內(nèi)捷變時，多波束干擾機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雷達信號有較強的適應能力，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雷達信號示意圖

4）干擾功率合成能力

多波束發(fā)射機干擾功率空間合成，等效輻射功率大。這主要有兩方面的原因：分布式發(fā)射機由多個小發(fā)射機構(gòu)成，發(fā)射總功率為陣元數(shù)與單個小發(fā)射機功率的乘積，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，進一步提高了發(fā)射機輸出功率。

多波束發(fā)射陣的等效輻射功率P可按下式計算：

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高于傳統(tǒng)干擾機，甚至高于某些相控陣干擾機。這是由于多波束發(fā)射機的功率放大器可采用行波管，單管功率高于相控陣干擾機中的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)境進行稀釋，以減小信號處理的壓力，提高信號分選的準確性。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。這在當今信號密度達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）多目標干擾能力

多波束的多目標干擾能力體現(xiàn)在兩方面：

①同時多目標干擾。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，以實現(xiàn)同時多目標干擾，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，增強了多目標干擾能力。

②分時多目標干擾。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開關實現(xiàn)，切換時間只有幾十納秒，可實現(xiàn)靈活的分時多目標干擾。

1.3 多波束技術(shù)其它特點

1）控制簡單

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

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)射機輸出功率大大下降，發(fā)射機的可靠性得到提高；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，與相控陣干擾機類似。

3）成本低

多波束的主要核心部件——多波束透鏡為機械狀置，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，美國的AN／ALQ－184（V）干擾吊艙和下一代艦載干擾機AN／SLQ－54EW就采用透鏡饋電多波束天線陣。

2 多波束在無人機平臺的應用

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

2.1 無人機上多波束的特點

1）安裝條件受限

大型無人機載質(zhì)量已由中小型無人機的幾十千克提升至數(shù)百千克。可供電子戰(zhàn)設備使用的安裝條件有了很大改善，但相比于地面設備和艦載設備來說還是十分受限。這也限制了多波束的設計。首先，要控制接收通道和發(fā)射通道的設備量，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2°以內(nèi)，干擾等效輻射功率達百千瓦量級，基本滿足無人機電子戰(zhàn)設備需求。其次，多波束的工作方式應以分時多波束為主。完全并行的同時多波束需要較多的通道，無人機上不宜采用。設計中為兼顧設備量和截獲概率，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，可采風冷散熱，可優(yōu)先選用。

2）供電受限

雖然大型無人機平臺供電可達數(shù)十千瓦，但同時還要給飛控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導航系統(tǒng)等供電，留給電子戰(zhàn)設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，為了無人機供電安全，平臺對電子戰(zhàn)設備帶來的配電系統(tǒng)的電壓和電流畸變有嚴格要求。無人機上多波束供電設計較地面或艦載多波束困難得多，尤其是供電匹配網(wǎng)絡將占用寶貴的載荷和安裝空間。

3）環(huán)控條件受限

中小型無人機上的環(huán)控主要采用強迫風冷或環(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。在大型無人機上，環(huán)控條件已有改觀，有些大型無人機上已有液冷環(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，在無人機平臺上設計多波束系統(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 無人機上多波束的設計

1）多波束天線的布局和透鏡設計

對于自衛(wèi)干擾和隨隊支援干擾來說，威脅主要來自無人機的前、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機身兩側(cè)。并盡量利用機身的遮擋，提高收發(fā)天線之間的隔離，實現(xiàn)收發(fā)同時工作。對于遠距離支援干擾來說，由于威脅目標位于無人機機身側(cè)面，接收多波束陣和發(fā)射多波束陣應布置于無人機機身的同一側(cè)。

多波束透鏡設計方面，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計準則卻有所差別。對于發(fā)射多波束，陣列的邊緣激勵電平應盡可能高，以提高陣列的口徑利用系數(shù)，得到更大的陣列增益。并且，相鄰波束交點絕對電平應盡量高一些，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)波束寬度應相對恒定，天線波束交點設計為－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）引導方式

為簡化設備，同時提高反應速度，多波束發(fā)射陣和多波束接收陣可采用相同的陣列，波束設計為一一對應。接收波束直接引導發(fā)射波束，引導更加簡單、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方位，才能引導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，提高系統(tǒng)靈敏度，以實現(xiàn)對包括有源相控陣雷達功率管理模式在內(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，可實現(xiàn)收發(fā)同時工作。工作方式為：接收天線陣實時接收外界威脅信號，實時進行信號處理和干擾信號產(chǎn)生，同時干擾信號選擇相應的發(fā)射波束發(fā)射出去。因干擾脈沖相對于接收到的雷達信號沒有時延，故有利于對付雷達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：首先對各個雷達信號進行一段時間的偵察，通過功率管理控制器設置相應的跟蹤參數(shù)，當預測某一目標信號出現(xiàn)時，即用相應的接收波束進行接收，接收完整個脈沖后，再產(chǎn)生干擾信號從對應的發(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

需要干擾多目標時，干擾機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，以適應不同的干擾要求。在多目標同時干擾時，等效輻射功率為相控陣干擾機的子陣方式的m倍（m為子陣數(shù)）。

3 結(jié)束語

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

［1］ 張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［2］ Chan KK，Rao SK.Design of a Rotman lens feed network to generate a hexagonal lattice of multiple beams［J］.IEEE Trans.on Antennas propagation，2002（4）：1099－1108.

［3］ 方有培.機載相控陣雷達的現(xiàn)狀及其對抗［J］.航天電子對抗，2003（5）：14－18.

［4］ 劉煜志.微帶Rotma透鏡的分析與改進設計［J］.電訊技術(shù)，2012，52（10）：1652－1657.

［5］ 孫伯明，梁修華，吳付祥，等.多波束干擾機作戰(zhàn)效能分析［J］.艦船電子對抗，2007（10）：40－42.

［6］ 肖雨琴，葉素珍.寬頻帶透鏡多波束天線［J］.艦船電子對抗，1995（6）：23－29.