彈道導彈突防干擾機收發隔離方法研究*

趙蕾，陳方予，郝昀，郭冬子，鐘世勇

(1. 南京工業職業技術學院，江蘇 南京 210023； 2. 北京機電工程總體設計部，北京 100854)

空天防御體系與武器

彈道導彈突防干擾機收發隔離方法研究*

趙蕾1，陳方予2，郝昀2，郭冬子2，鐘世勇2

(1. 南京工業職業技術學院，江蘇 南京 210023； 2. 北京機電工程總體設計部，北京 100854)

彈道導彈突防雷達干擾機采取主瓣干擾時，收發同時工作十分必要。通過計算干擾機收發信號功率，分析了影響收發隔離的因素，指出采用收發功率自適應措施可降低收發隔離要求。然后給出了一個實現收發功率自適應控制的電原理參考框圖，指出收發天線前后分置是解決收發隔離的一種有效方法，介紹了2種降低波導天線尾瓣增益的方法。最后指出了探討的方法雖然原理上可行，但在實際工程應用中還有許多實際問題需要解決。

彈道導彈突防；雷達干擾機；收發隔離；功率自適應；收發天線分置；降低尾瓣增益

0 引言

彈道導彈突防雷達干擾機通常可工作在2種模式下，一種是噪聲壓制干擾模式；另一種是多假目標欺騙干擾模式。噪聲信號與雷達信號不相參，雷達匹配濾波時，不能得到處理增益，與雷達接收目標信號相比，功率上會損失一個處理增益的倍數[1]，因而，噪聲干擾信號往往需要較大的功率。彈載干擾機受體積、質量和能量限制，往往功率難以做得較大，因此，多假目標欺騙干擾模式是彈載干擾機常用的一種干擾模式。

有效的多假目標干擾需要將多假目標信號嵌入到彈頭回波信號串中，這樣會取得較好的干擾效果[2]。由此需要多假目標信號串中的前幾個假目標信號要超前彈頭回波信號到達雷達接收機。實現這個目的，首先需要雷達干擾機在雷達探測方向上要前置于彈頭，在理論上能夠實現干擾信號前置，其次還需要雷達干擾機反應時間短，在工程上能夠做到干擾信號前置。

需要強調的是，自衛式彈載干擾機工作時應采取雷達主瓣干擾方式[3-4](旁瓣支援式干擾需要較大的功率，在彈載平臺上應用難度較大)，即反導雷達探測彈頭時，雷達干擾機與彈頭應同處一個探測雷達波束內。這個要求在使用上限制了雷達干擾機的前置距離，由此要求干擾機的反應時間必須要短。

為保證假目標信號與彈頭回波信號有好的相參性，理想的做法是干擾機對雷達探測信號進行全脈沖采樣存儲，收發分時工作，但當雷達使用寬脈沖信號探測時，這種做法與干擾機快速反應時間要求相沖突。一種試圖折衷的方法是，采取高速時分采樣存儲，這種做法能夠取得低于雷達相參處理增益6 dB的處理增益[5]。這種高速時分收發轉換的做法，雖然能夠縮短干擾機反應時間，但輸出的干擾信號在時域和頻域上均有缺陷[6-7]，當反導雷達瞬時帶寬足夠寬，接收信號功率足夠大時，反導雷達有可能通過一些檢測方法將這種干擾信號在時域和頻域上的缺陷檢測出來。

由此看出，要實現多假目標干擾的有效性，同時要保證多假目標信號的逼真性，干擾機需要收發同時工作。

干擾機收發同時工作帶來的問題是干擾機需要解決收發隔離問題，這個問題許多文獻都探討過相應的解決方法[8-9]，本文從其他方向探討彈載突防雷達干擾機解決收發隔離問題的方法。

1 解決收發隔離方法

1.1 干擾機收發隔離條件

干擾機收發隔離對應干擾機的發收功率比，要實現干擾機的收發隔離，首先需要分析干擾機的發收功率比。

使用雷達方程和干擾方程計算公式[1，10]，分別計算干擾機接收雷達信號功率和發射的假目標信號功率(干擾機與彈頭伴飛時，通常與彈頭相距較近，距探測雷達相對較遠[11-12]，計算雷達信號和干擾信號功率傳輸時，可近似使用同一距離R，另外干擾信號為多假目標形式時，干信比取1，這樣既能保證干擾的有效性，又可降低干擾信號發射功率，利于收發隔離)，將兩者相比得到干擾機發收功率比K。

(1)

式中：σ為彈頭雷達散射截面積(RCS)；GjTR為干擾機發射天線在雷達照射方向上的增益；ArR為干擾機接收天線在雷達照射方向上的等效口面面積；γ1為干擾機接收天線極化適配因子；γ2為雷達接收天線極化適配因子。

因干擾機接收雷達信號與發射干擾信號在同一方向上，當干擾機收發天線采用類似天線時，有4πArR=GrRλ2=GjTRλ2，γ1=γ2=γ，代入式(1)得

(2)

由式(2)可見，干擾機發收功率比與被掩護彈頭RCS成正比，與干擾機收發天線等效口面面積成反比，與探測雷達有效輻射功率(ERP)和干擾機與雷達之間距離R無關。

不難看出，只要能夠設計干擾機收發之間的隔離度大于干擾機發收功率比，干擾機就可實現收發隔離，即干擾機就能收發同時工作。

1.2 收發功率自適應控制改善收發隔離要求

干擾機收發隔離度對應干擾機的接收功率和發射功率，干擾機設計時，如能將接收門限和發射信號功率設計成能夠隨接收雷達信號功率變化而自行調整，這種做法與以往干擾機接收門限和發射功率不可調整的狀況相比，解決收發隔離問題的難度相對要小些，這個優點可通過下面實例說明，例如，干擾機在距雷達50～500 km距離范圍內掩護彈頭時，若干擾機接收門限和發射信號功率不隨接收雷達信號功率變化而調整，即將干擾機接收門限和發射信號功率設計成定值，設計接收門限時，需要保證干擾機在距雷達500 km處能夠接收雷達信號；設計發射信號功率時，需要保證干擾機在距雷達50 km處發射的干擾信號能夠干擾雷達，這種設計方法導致遠距離下干擾信號功率富裕，近距離時接收靈敏度富裕，要求干擾機收發隔離度比式(1)給出的值大100倍(20 dB)。

如果干擾機采用收發功率自適應控制措施，在收發隔離要求上，與未采用收發功率自適應措施相比，收發隔離度可獲得干擾機最大工作距離與最小工作距離之比平方倍的好處。圖1給出了一個收發自適應控制電路的原理參考框圖。

圖1中，由接收天線接收的雷達信號經高放放大后，分成2路，一路經檢波、幅度量化形成判別門限，限制門限以下的發射機串擾信號進入；另一路經下變頻，通過門限開關選通，至DRFM進行信號存儲，與多假目標信號調制。干擾機發射信號經小功率放大器放大后，經電調衰減器進行幅度控制，最后經大功率放大器放大，由發射天線輻射出去。這樣就實現了干擾機的收發功率自適應控制。

1.3 收發天線分置實現收發隔離

由式(1)可見，降低彈頭RCS和提高干擾機收發天線增益(等效口面面積)均可有效降低干擾機收發隔離度要求。

彈頭可通過整形、涂敷和調姿隱身等措施降低在反導雷達觀測方向上的RCS[13]。

彈載突防干擾機通常需要在天線前向一個較大的角域內能夠接收雷達信號和發射干擾信號，即需要干擾機收發天線有較寬的前向波束。較寬的天線前向波束對應較平坦且增益不高的天線前向增益方向圖，通過提高干擾機天線增益降低干擾機收發隔離要求的方法最終會受到干擾角域的限制。

干擾機收發信號在同一個頻率上，收發信號難以在頻域上實現隔離；同時干擾機發射的干擾信號極化方式需要與雷達照射信號極化方式匹配，干擾機收發信號也難以在極化上實現隔離[14]，干擾機可采取的一種收發隔離方法是設法在空間上增加收發天線之間距離，衰減收發天線之間的干擾信號傳輸，再通過設置接收信號功率門限，限制干擾信號進入干擾機接收機，實現干擾機收發信號之間的隔離。下面分析這種做法的理論方法和工程可實現性。

干擾機收發天線分置時，收發天線間的距離r能夠保證干擾信號在收發天線之間的傳輸符合遠場傳輸條件時，干擾機接收機接收到的干擾信號功率為Prj為

(3)

式中：Pj為干擾機發射干擾信號功率；GjTr為干擾機發射天線在干擾機接收天線方向上的增益；Arj為干擾機接收天線在干擾機發射天線方向上的等效口面面積；γ3為干擾機收發信號之間的極化適配損失。

干擾機發射的干擾信號功率與接收到的干擾信號功率之比Is為

(4)

式中：Is為需要的發收隔離度。

圖1 收發自適應控制電路電原理參考框圖Fig.1 Receiving and transmitting power self-reacting control principle diagram

由式(4)可見，增大收發天線之間距離r和減小收發天線在傳輸方向上的增益均可增大干擾機收發之間的干擾信號功率衰減。

顯然，只要Is>K，干擾機就能夠實現收發隔離。比較式(1)與式(4)，得到干擾機收發隔離條件為

(5)

當干擾機收發天線如圖2前后設置時，有ArR=Arj。此時式(5)簡化為

(6)

圖2 干擾機收發天線前后設置Fig.2 Setting receiving and transmitting antenna of jammer tandem

由式(6)可見，在干擾機發射天線前向增益GjTR一定的情況下，減小干擾機發射天線后向增益GjTr是提高干擾機收發隔離的有效措施。

圓波導天線有較大的前向增益和較小的尾瓣增益，比較適合實現空間收發隔離。波導天線邊緣結構不連續，產生后向散射波和繞射波，是產生尾瓣的主要原因，通過改善波導天線口面結構的不連續性可抑制波導天線的后向輻射能量，降低尾瓣，可用的方法是在波導天線口面設置扼流槽(皺紋喇叭)和向后向卷邊(口徑匹配喇叭)[15]，圖3，4給出了2種改進的圓波導天線結構圖。皺紋喇叭受槽寬和槽深受尺寸影響，工作帶寬不易做寬；口徑匹配喇叭有相對較寬的工作帶寬。圖5，6分別給出了一種口徑匹配喇叭的3D，2D增益方向圖。

由圖5，6可見，經邊緣處理后改進的波導天線有較低的后向增益，這對提高干擾機的收發隔離十分有利。

圖3 波導天線口面設置扼流槽(皺紋喇叭)Fig.3 Setting choke groove around wave-guide antenna port (goffer horn)

圖4 波導天線口面邊緣后卷(口徑匹配喇叭)Fig.4 Wave-guide antenna brim reel in backwards (port match horn)

圖5 一種口徑匹配喇叭的3D增益方向圖Fig.5 3D gain pattern of a port match horn

圖6 一種口徑匹配喇叭的2D增益方向圖Fig.6 2D gain pattern of a port match horn

2 設計舉例

彈載雷達干擾機收發天線分置通常可有2種方式，一種是左右分置，干擾機釋放前，收發天線平行回收，干擾機釋放后，收發天線向左右兩側90°打開；另一種是前后分置，釋放前發射天線回收在干擾機本體內，釋放后由推桿向前推出。前一種方式因干擾機整體轉動慣量較大，對干擾機自旋穩定影響較大而較少采用，后一種方式國外(俄羅斯)的彈載突防干擾機有使用。下面通過計算例子說明收發天線前后分置實現干擾機收發隔離的工程可實現性。

假設彈頭RCS為σ=0.1 m2，反導雷達工作波長λ=3 cm，突防干擾機收發天線在突防角域內最小增益等于1(0 dBi)，天線極化適配損耗γ=0.5。

干擾機收發天線前后分置，如圖2所示，r=1 m。

根據電磁波傳輸遠場條件：

(7)

式中：Gr為接收天線在傳輸方向上的增益；GT為發射天線在傳輸方向上的增益。

取γ3=0.5，由式(4)算得干擾機收發天線之間的干擾信號傳輸功率衰減為

Is高于K值17dB，干擾機可以實現收發隔離，由此看出上面這種收發隔離方法具有實際工程意義。

3 結束語

本文在理論上分析了影響彈載雷達干擾機收發隔離的因素，指出了使用收發功率自適應控制技術給彈載雷達干擾機收發隔離帶來的好處，說明了空間隔離是一條可行的收發隔離技術途徑，指出了收發天線前后分置情況下，抑制天線尾瓣增益的重要性，介紹了2種降低波導天線尾瓣增益的方法，給出了一個通過收發天線前后分置實現收發隔離的工程計算例子，討論了工程可實現性。目的是希望能夠給廣大彈道導彈突防干擾機設計者提供盡可能的幫助。

本文討論的彈載突防雷達干擾機采用收發功率自適應控制措施，干擾機根據接收雷達照射信號功率，調整接收門限和發射信號功率，將干擾機收發隔離度設計成一個不包含雷達有效輻射功率和雷達探測距離參數的定值，在一個相對要求較低的量值上實現干擾機收發隔離，這種做法的優點在彈載雷達干擾機對抗多部反導雷達時顯得更加突出，具有適用價值。

本文在理論上探討了彈道導彈突防雷達干擾機實現收發隔離的方法，結果雖然在理論上表明可行，但在具體工程應用中還有許多實際問題需要解決，諸如干擾機體積限制，收發天線前后分置后，因轉動慣量變化帶來的姿態穩定設計，以及寬帶工作給收發隔離帶來的影響等，這些問題都需要根據干擾機的具體情況，進行進一步的工程設計，本文只是試圖在理論上為解決彈載雷達干擾機解決收發隔離問題提供技術途徑。

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Isolation Between Receiving and Transmitting of BM Penetration Jammer

ZHAO Lei1, CHEN Fang-yu2, HAO Yun2,GUO Dong-zi2, ZHONG Shi-yong2

(1. Nanjing Institute of Industry Technology, Jiangsu Nanjing 210023, China;2. Beijing System Design Institute of Mechanical-Electrical Engineering, Beijing 100854, China)

When ballistic missile(BM) penetration jammer takes the way of interfering the antenna’s main lobe, it is necessary for BM penetration jammer to receive and transmit signal at thesame time. Through computing the power of receiving and transmitting signals of BM penetration jammer, the main factors effecting isolation between receiving and transmitting of BM penetration jammer is analyzed and it is found that the receiving and transmitting power self-reacting control can decreasethe isolation request between receiving and transmitting. Then, an electric principle drawing realizing receiving and transmitting power self-reacting control is proposed, and to separate transmitting and receiving antenna in the front and the rear respectively is an effective method to solve the problem of isolation between receiving and transmitting.In addition, two ways of decreasing wave-guide antenna rear lobe gain are introduced. Finally, it is pointed out that the method is feasible in theory, but there are many problems to be solved in practical engineering application.

ballistic missile(BM) penetration;radar jammer; isolation between receiving and transmitting; power self-reacting; transmit and receive antenna separating; decrease rear beam gain

2015-05-15；

2015-09-30

南京工業職業學院科研基金項目(YK14-02-04)

趙蕾(1978-)，女，江蘇南京人。高工，碩士，主要研究方向為航天電子對抗。

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.06.001

TJ761.3；TN974

A

1009-086X(2016)-06-0001-06

通信地址：210023 南京市棲霞區羊山北路1號南京工業職業技術學院航空工程學院

E-mail：2570371080@qq.com