發射多波束形成技術在電子戰中的應用

王 明，柳桃榮

(華東電子工程研究所，安徽 合肥 230088)

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發射多波束形成技術在電子戰中的應用

王 明，柳桃榮

(華東電子工程研究所，安徽 合肥 230088)

在電子對抗領域，發射多波束技術是提高電子干擾性能的一項關鍵技術，隨著數字信號處理技術的高速發展，數字發射多波束技術應用于電子對抗已成為可能。發射波束零陷技術、發射通道之間的幅度相位誤差分析及校正技術是發射多波束系統設計和實現的關鍵技術，論文主要針對這幾項關鍵技術進行了研究。

發射波束形成；電子戰；校正；干擾

0 引 言

隨著現代科技的飛速發展，國內外越來越重視雷達干擾和雷達反干擾的研究，使得電子對抗領域中電子干擾的裝備水平和戰術應用上都會面臨新的挑戰。在充分保護自己安全的前提下又能更加有效地破壞敵方的威脅系統，雷達干擾和反干擾研究成為電子攻擊戰中電子干擾研究的重要內容，而發射多波束形成技術就是其中重要一項[1]。

傳統的發射技術只有一個發射波束，系統通過天線機械方式或電子方式改變波束的方向來增加其覆蓋范圍；在電子戰中，發射的干擾信號不僅需要具有大的空間輻射范圍，甚至要求具備大的頻譜覆蓋寬度，這會導致干擾效率下降。采用發射多波束技術可以克服干擾效率下降的問題，這種技術提高了頻率資源的利用率，獲得了較高的增益和較高的空間覆蓋率[2-3]。

發射多波束技術就是利用陣列可以通過空間合成提高輻射功率特性，控制發射波束指向，實現對多目標干擾的能力。通過加載不同的干擾產生算法，可產生寬帶噪聲、窄帶噪聲、梳狀噪聲、連續波(CW)掃頻、密集假目標等多種干擾樣式，從而具備不同的干擾能力。本文對發射波束形成原理、發射波束零陷技術、發射通道幅相校正以及系統設計和算法仿真等關鍵技術進行研究分析。

1 關鍵技術分析

1.1 發射數字波束形成(DBF)原理

考慮某電子干擾系統需要對不同方位的4批目標進行干擾，那么就期望在這4個目標對應的方位同時形成4個波束，每個波束的干擾樣本均可控，假設發射天線是一個N陣元的線陣，4個方位指向分別是θ1、θ2、θ3和θ4，干擾樣本分別是s1(t)、s2(t)、s3(t)和s4(t)，干擾示意圖如圖1所示[4]。

根據權系數計算公式：

(1)

式中：k為陣元序號；d為陣元間距；θ為波束指向；λ為發射信號波長。

因此第k個陣元的發射信號為：

s(k)=s1(t)w1k+s2(t)w2k+s3(t)w3k+s4(t)w4k

(2)

(3)

式中:i=1～4,共4個波束數;k=1～N,共N個陣元數。

1.2 發射波束零陷控制

自適應發射波束形成的主要思想是利用自適應算法調整陣列權向量，使天線主瓣指向期望目標方向，而使來自外部的干擾方向對準零陷，盡可能地提高陣列輸出所需信號的強度，同時減小外部干擾信號的強度，從而提高陣列輸出的信噪比[5]。

權矢量w及方向矢量a(θ)可以看作是M維空間中的矢量，2個矢量之乘積確定了波束形成響應。換句話說，響應AF(θ)取決于兩矢量w與a(θ)之間的夾角。當w與a(θ)正交夾角為90°時，響應為0；w與a(θ)之間的夾角為0°時，響應幅度為最大。因此，不同位置上的信號源區分能力就取決于a(θ1)和a(θ2) 之間的夾角。

發射DBF加權的權值根據波束指向、置零方向和零陷深度共同決定，第j個頻點的權向量計算公式為：

(4)

式中：anj為第j個頻點的第n個干擾導向矢量；a0j為第j個頻點期望方向的導向矢量；pn為對第n個干擾置零的深度；pdl為對角加載常數，作用是降低旁瓣電平。

1.3 發射通道校正技術

由于系統各通道存在幅相不一致性，會影響DBF的性能，因此波束形成器需要進行校正處理，即對各路復信號進行幅相誤差補償后再形成所需要的波束指向。校正有接收通道校正和發射通道校正2種狀態，要分別進行校正。這里只考慮發射通道校正。

若測試采樣信號為：

xi=aiejθi=Ii+jQi

(5)

式中：i為陣元通道號，則校正系數為：

(6)

發射通道校正時，每組各通道逐一校正。首先在發射校正觸發和發射通道控制代碼的控制下，校正信號源用點頻，產生1路發射波形信號耦合到參考接收機作為幅度相位參考，收發系統依次選擇不同的通道的發射波形和收發開關信號，這樣控制所有通道分時切換測試信號進行功率發射。發射功率經校正網絡耦合、矩陣開關送到校正接收機，校正和參考2路接收機的I/Q數據送DBF分系統，得到所有發射通道在不同頻率時的幅度、相位相對值，用此解算出的相位權系數修正發射波束形成。

1.4 發射多波束非線性影響

當前一般的干擾機都是單波束發射，通常它只能對付1個雷達目標，難以對寬頻帶范圍內的多個雷達目標實施有效干擾。為了使干擾波束在頻域和空域中能同時對付多個不同雷達目標，需要研究寬帶陣列的多波束發射技術，使得干擾資源能夠實現“一對多目標”工作。

對多目標干擾，發射多波束相對于單波束來說具有一定的優勢，但其工作原理也存在著一定的局限性，因為目前考慮的發射多波束還是基于功率放大器工作在線性區，這樣能很好地控制多波束的幅相加權。如果功率放大器工作在非線性區，就會導致失真問題，主要表現在干擾信號線性相加后的幅度失真和嚴重的互調失真，因此在實際工作中功率放大器應盡可能地工作在線性區。

2 系統設計

系統工作時最多需要同時干擾4批雷達，工程實現時采用并行處理方式，輸入的4路樣本信號并行通過4路波束形成模塊，與通道校正系數和發射DBF加權系數合成，實現發射DBF功能。通過加權約束發射波束指向，通過通道校正使各個通道保持幅相一致性，通過波束置零降低外部對干擾機的影響。將每個波束各個陣元的干擾復信號分別送到收發分系統，由收發分系統完成數字上變頻后進行4個信號的合成，再進行極化處理。

發射多波束原理框圖如圖2所示。

干擾機組成部分包含了數字波束形成(DBF)、數字上變頻(DUC)、數模轉換(DAC)、時鐘控制、系統監控、激勵放大控制等部分，系統主要完成對輸入信號的DBF、DUC和D/A轉換等處理，從而在數字域完成發射波束形成功能。其數據處理流程如圖3所示。

3 發射多波束算法仿真

算法仿真條件如下：

發射載頻：2.0～2.3 GHz；

信號帶寬：200 MHz；

陣元間距：λ/2；

陣元個數：32；

波束指向：-30°，-10°，10°，30°；

零陷位置：40°～42°；

頻率間隔：6.5 MHz；

頻率點數：32個。

圖4為發射波束及置零示意圖，圖5為置零波束局部放大示意圖，其中實線波束為不同頻點下的發射波束，虛線波束為多頻點疊加后的波束。

4 結束語

通過對發射多波束在電子戰中應用的分析研究發現，可以嘗試使用與以往不同的干擾措施。對其中幾個關鍵技術分析及仿真可以看出，理論分析與設計仿真取得了期望的一致性，故認為新的干擾方法具有可行性。當然其中還有很多課題值得研究，譬如如何保證功放在線性區工作等問題就需要相關專業人員深入研究。

[1] 趙紅梅．星載數字多波束相控陣天線若干關鍵技術研究[D].南京:南京理工大學,2009．

[2] 劉重陽．基于陣列天線的多波束形成[J]．艦船電子對抗,2009，32(4)：109-112．

[3] 李霞.多波束陣列天線饋電網絡及平面印刷中繼天線研究[D]．西安：西安電子科技大學，2013．

[4] 吳鴻超，萬長寧，熊慎偉，等.數字相控陣雷達發射多波束特性研究[J].微波學報，2014，30 (1)：6-9．

[5] 陳多芳，陳伯孝，劉春波，等.基于子空間投影的雙基地地波超視距雷達直達波抑制方法[J].電子與信息學報，2008，30(11)：2702-2705．

Application of Transmitting Multi-beam Forming Technology to EW

WANG Ming，LIU Tao-rong

(East China Research Institute of Electronic Engineering,Hefei 230088,China)

In the field of electronic countermeasure,transmitting multi-beam technology is a key technology to improve the performance of electronic jamming.With the rapid development of digital signal processing technology,transmitting digital multi-beam technology applied to electronic countermeasure has become possible.Transmitting beam nulling technique,analysis of amplitude phase error among transmitting channels and correction techniques are the key technologies for the design and implementation of transmitting multi-beam system.This paper focuses on the several key technologies and studies them.

transmitting beam-forming;electronic warfare；correction；jamming

2016-05-17

TN972

A

CN32-1413(2017)02-0032-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.008