基于非脈沖矢量網絡分析儀的非反向交叉眼干擾實驗設計與分析

周 亮, 孟 進, 劉永才, 李 偉, 楊浩楠

(海軍工程大學艦軍用電力科學與技術研究所船綜合電力國防科技重點實驗室, 湖北 武漢 430033)

0 引 言

單脈沖雷達通過瞬時多波束技術測量目標的角度,具有測角精度高、抗干擾能力強的特點,被廣泛用于導彈末端精確制導系統,實現對艦船等動目標實施精確打擊。為了提高導彈的突防能力,導彈末端雷達制導可分為主動單脈沖雷達、干涉儀(被動單脈沖雷達)和復合制導。

交叉眼干擾技術是對抗單脈沖雷達最有效的方式之一[1-3]。對此,大量學者對交叉眼干擾技術展開了研究,可分為非反向交叉眼干擾和反向交叉眼干擾兩類。對于非反向交叉眼干擾技術研究,文獻[4-5]基于角閃爍理論建立了交叉眼干擾模型;文獻[6-7]以被動雷達或干涉儀為對象,分析了交叉眼干擾對被動雷達的作用效果;文獻[8]考慮雷達脈沖相干積累對交叉眼干擾性能的影響;文獻[9]分析了非反向交叉眼干擾信號傳輸路徑對交叉眼干擾性能的影響。對于反向交叉眼干擾技術研究,文獻[10-13]對考慮目標回波和幅相波動分布模型的兩源反向交叉眼仿真模型、幅向誤差容限和干信比展開了建模和分析;文獻[14]分析了兩源反向交叉眼對主被動復合單脈沖雷達的干擾效果;由于兩源反向交叉眼增益隨干擾機幅相參數變化敏感,文獻[15-20]對考慮目標回波和隔離目標回波的多源線陣反向交叉眼干擾機的幅相容限和干信比展開了分析;文獻[21]對隔離平臺目標回波條件下的兩源反向交叉眼干擾和多源線陣反向交叉眼干擾的幅相容限展開了對比分析。針對兩源和多源線陣反向交叉眼干擾角度覆蓋扇面有限的問題,文獻[22-23]研究了兩組兩源反向交叉眼干擾的組陣方式,并分析了兩組兩源反向交叉眼干擾信號傳輸路徑差對交叉眼干擾效果的影響;文獻[24-27]分別建立了多源圓形陣、正交旋轉陣和任意四元陣的反向交叉眼干擾模型,分析了不同干擾機轉角下交叉眼增益的穩健性。

以上研究均未涉及交叉眼干擾實驗設計,對非反向交叉眼干擾研究主要考慮干擾信號傳輸路徑的影響。文獻[28-29]分析了天線極化失配對交叉眼干信比和效果的影響。文獻[30]在微波暗室環境下,基于脈沖矢量網絡分析儀、環形器、幅相調節器件和微帶天線設計了反向交叉眼干擾實驗,對基于擴展性分析方法的反向交叉眼干擾模型展開了驗證,由于環形器的隔離度有限,其要求矢量網絡分析儀具備可控的脈沖收發功能和信號數據采集功能,以通過加時間窗的方法濾除環形器耦合的自激信號。以上試驗研究主要設計了基于環形器和脈沖矢網的反向交叉眼干擾實驗系統,要求矢量網絡分析儀具備發射脈沖信號和信號數據采集等功能,且未涉及非反向交叉眼干擾試驗方法。

針對交叉眼干擾多側重于仿真建模、實驗設計及實施復雜等特點,本文基于交叉眼干擾技術原理和單脈沖測角原理,結合矢量網絡分析儀幅相精確測量的特性,設計了基于非脈沖矢量網絡分析儀、移相器、衰減器和天線的非反向交叉眼干擾實驗系統。首先,在微波暗室環境下開展了基于矢量網絡分析儀的無源方位測角實驗;然后,開展了交叉眼干擾原理驗證實驗;最后,通過電磁仿真軟件對干擾天線相位中心展開了仿真建模,分析了干擾天線的非互易性對實驗效果的影響。論文研究可為交叉眼技術測試、工程實現提供一定的參考。

1 交叉眼干擾建模

1.1 交叉眼干擾場景描述

交叉眼干擾機與單脈沖雷達位置關系如圖1所示。反向交叉眼干擾機信號轉發過程如圖2所示。當單脈沖雷達發射的電磁信號抵達干擾機接收天線1、天線2后,將天線1接收的信號調制后由天線2發出,天線2接收的信號調制后由天線1發出。單脈沖雷達接收到信號后,通過比較接收信號相位差對雷達指向進行調整,直至單脈沖雷達差通信信號相等時鎖定搜索目標。圖1中黑色實心方框表示單脈沖雷達指向的視在假目標,θr為雷達視軸相對干擾機中心的轉角,θe為干擾天線相對于雷達視軸的半張角,θc為干擾天線相對與雷達的轉角,θi為雷達視軸相對假目標的轉角,θ1和θ2為干擾機天線1、天線2與單脈沖雷達中心法線方向的夾角,dc為干擾機天線間的距離,R0為單脈沖雷達中心到交叉干擾中心的距離。

圖1 雷達與干擾機相對位置Fig.1 Relative position of radar and jammer

圖2 交叉眼干擾機的反向天線結構Fig.2 Reverse antenna structure of cross-eye jammer

與反向交叉眼干擾機不同的是,非反向交叉眼在信號收發過程[9-10]中,其信號傳播路徑不存在互易性,雷達發射的信號僅由天線1或天線2接收,調制后由天線1和天線2同時發出。

1.2 交叉眼干擾建模

文獻[10-13]在建立兩源反向交叉眼干擾模型時,其應用場景均為雷達與交叉眼干擾機距離較遠,在得到交叉眼干擾下雷達指示角與交叉眼幅相參數關系模型時,進行了必要的近似簡化,如sin(k1)→k1。受限于微波暗室大小,在實驗過程中,交叉眼干擾機天線與雷達天線距離較近,近似簡化的前提條件不充足,易形成較大的誤差。對此,本文按照非簡化模型對反向交叉眼干擾模型和非反向交叉眼干擾模型進行推導,得到近距離交叉眼干擾下的雷達指示角計算方式。

1.2.1 反向交叉眼干擾建模

假設干擾機兩路信號幅值強度為(1,α),干擾機兩路信號相位差為φ,則干擾機兩路信號達到單脈沖雷達天線陣面的強度比依舊為(1,α),相位差依舊為φ,依據反向交叉眼信號空中轉發路徑,其和通道接收到的信號[11]為

(1)

式中:s為雷達發射信號;ε(s)為單脈沖雷達天線接收到的干擾機發射信號;FΣ(θ1)、FΣ(θ2)分別為單脈沖雷達天線的在θ1、θ2處的和增益。

單脈沖雷達差通道接收到的信號為

(2)

式中:FΔ(θ1)、FΔ(θ2)為單脈沖雷達天線在θ1、θ2處的差增益。

依據單脈沖雷達測角原理,單脈沖雷達指示角為雷達接收差信號與和信號比值的虛部,可得雷達單脈沖比為

(3)

當干擾機天線中心連線與單脈沖雷達天線中心連線近似平行時,θ1、θ2與θr、θe之間的關系為

(4)

(5)

式中:β為玻爾茲曼常數,β=2π/λ;dp為單脈沖雷達兩天線相位中心間距;Pr(θ)為單個波束的方向圖。聯合式(4)和式(5),對式(3)中和部分進行化簡,得到:

(6)

令

(7)

采用三角函數中和差化積公式2sinxcosy=sin(x+y)+sin(x-y),對式(6)化簡,結合式(7),可得

(8)

而雷達單脈沖斜率與雷達單脈沖指示角關系式[1]為

(9)

聯合式(8)和式(9),可得到雷達單脈沖指示角與幅值比和相位差的關系式為

(10)

式中:R[·]為取實數部分運算。

聯合式(1)至式(10),可以計算得到交叉眼干擾下的雷達指示角。

(11)

1.2.2 非反向交叉眼干擾建模

與反向交叉眼干擾信號收發路徑相比,非反向交叉眼干擾的干擾信號抵達單脈沖雷達天線前,會額外引入了路徑差異對兩路幅值比和相位差的變化。非反向交叉眼干擾信號達到單脈天線的傳播路徑如圖3所示。其中,d0為假目標到干擾機天線中心的距離,dr為測向天線間的距離。

圖3 非反向交叉眼干擾信號空中傳播路徑Fig.3 Air propagation path of non-reverse cross-eye interference signal

在頻率一定情況下,假設射頻信號空中傳播路長l徑引起的幅值和相位變化分別記為a(l)和φ(l),因此非反向交叉眼干擾信號抵達單脈沖雷達天線1和天線2的信號可表示如下所示:

R1(s)=ε(s)·[Pj(θ31)Pr(θ13)a(l1)·ejφ(l1)+
α·ejφ·Pj(θ41)Pr(θ14)·a(l4)·ejφ(l4)]

(12)

式中:Pj為干擾機單個干擾天線方向增益;θij天線i與天線j的連線與水平線的夾角。

R2(s)=ε(s)·[Pj(θ32)Pr(θ23)a(l3)·ejφ(l3)+
α·ejφ·Pj(θ42)Pr(θ24)·a(l4)·ejφ(l4)]

(13)

因此,雷達單脈沖斜率為

(14)

若干擾機與雷達的距離較遠時,l1～l4近似相等,其引起的幅度相對變化差異可以近似相等;對于相同的干擾天線和單脈沖雷達接收天線,有

(15)

此時,式(14)可化簡為

(16)

聯合式(9)和式(14),可以計算近距離非反向交叉眼干擾下的雷達指示角,聯合式(9)和式(16),可以計算遠距離下非反向交叉眼干擾下的雷達指示角。其中l1～l4的值與dc、R0、θc、dp等相關,在微波暗室實驗中,可通過直接測量得到。

2 實驗方案設計

根據交叉眼干擾作用機理以及單脈沖測角原理,基于矢量網絡分析儀幅相精確測量的特點,本文首先設計了基于矢量網絡分析儀的方位維測角系統,利用矢量網絡分析儀中的兩個端口、1個幅相調整網絡和2個條形微帶天線模擬無源單脈沖測角雷達或被動單脈沖雷達,矢網剩下的2個端口選取1個端口中作為輻射源;然后在矢網無源精確測角的基礎上,設計非反向交叉眼干擾實驗系統,從而排除測角系統引起的實驗誤差。

2.1 無源單脈沖測角實驗方案設計

基于矢量網絡分析儀的測角系統由四通道的安捷倫N5230A型矢量網絡分析儀、1個幅相調整網絡、同軸射頻線纜、1個喇叭天線和2個條形微帶天線組成,如圖4所示,其中S1、S2、S3、S4為矢量網絡分析儀的4個射頻端口。幅相調整網絡由兩個衰減器、一個移相器組成,用于調節雷達兩接收通道幅相,以保證矢量分析儀兩接收通道幅相一致性。然后將矢量網絡分析儀測量得到的接收通道的幅值比和相位差,代入式(9),在某軟件上計算得到雷達的角度值。

圖4 基于矢量網絡分析儀的無源測角實驗系統設計Fig.4 Design of passive angle measurement experiment system based on vector network analyzer

由于干擾天線與單脈沖測角天線間的距離比較近,輻射源天線移動會引起較大的角度變化,以及后期測角過程中,應滿足如下條件:

(1) 測角天線的E面波束寬度較寬,保證輻射源天線移動過程中始終位于測角天線主波束寬度內;

(2) 兩個測角天線的間距小于λ/2[1],避免出現柵瓣影響天線的測角范圍。

2.2 非反向交叉眼干擾實驗方案設計

在測角系統的基礎上,將單個輻射源替換成2個幅相可控的相參輻射源,從而模擬交叉眼發射兩路相位差接近180°、幅值比接近1的兩路信號,其由幅相調整網絡、功分器和低噪放組成,下文簡稱交叉眼干擾原理實驗樣機,實驗系統組成如圖5所示。

通過調節幅相調整網絡中衰減器和移相器的刻度值,使交叉眼干擾機處于不同的幅值比和相位差,進而觀察和計算在不同干擾機狀態下的雷達指示角。在測角系統條件的基礎上,非反向交叉眼干擾實驗系統應滿足如下條件:

(1) 交叉眼干擾天線和測角天線均在彼此的主波束寬度內;

(2) 交叉眼干擾天線正對單脈沖雷達天線。根據反向交叉眼干擾與非反向交叉眼干擾空間信號傳播路徑差異,使交叉眼干擾天線正對單脈沖雷達天線,避免信號空間傳輸路徑差異對非反向交叉眼干擾效果的影響。

3 實施過程及結果分析

3.1 實驗場景

為減少信號空間多徑對實驗結果的影響,實驗在微波暗室環境下進行,并保證干擾天線和測向天線處于彼此的遠場。實驗過程中,器件互連采用高頻穩相線纜,在幅向調整網絡中,幅度采用高精度步進調節器,相位采用1°調節大小的數字移相器。同時采用高增益、窄波束喇叭天線作為干擾發射天線,以減少信號空間多徑對測角的影響。實驗系統部分參數如表1所示。交叉眼干擾實驗場景如圖6所示。

表1 實驗系統參數Table 1 Radar and jammer parameters

圖6 基于矢量網絡分析儀的交叉眼干擾試驗場景Fig.6 Cross-eye interference test scenario based on vector network

3.2 單脈沖測角實驗步驟及結果

3.2.1 單脈沖測角實驗步驟

基于矢量網絡分析儀的無源單脈沖測角實驗步驟如下。

步驟 1通過激光筆對準,使輻射源喇叭天線的饋源位于雷達兩天線的中心,此時輻射源相對雷達的實際角度為0°。

步驟 2對矢量網絡分析儀S2、S3端口初始化校準,將S2、S3端口經幅相調整網絡后與雷達接收天線1和接收天線2相連接,S1端口連接輻射源天線3。

步驟 3調整數控移相器和衰減器的刻度值,觀察矢量網絡分析儀S21、S31的幅度和相位變化,使S21、S31間的幅度和相位盡量一致。

步驟 4移動輻射源,每移動5 cm分別記錄一次矢量網絡分析儀S21、S31的幅度和相位值。

步驟 5測量雷達兩天線中心與輻射源原點的距離,并在仿真軟件中將不同位置記錄的S21、S31的幅度和相位代入公式進行計算。

3.2.2 無源單脈沖測角實驗結果

輻射源天線位于不同位置時,對上述數據通過軟件處理后,得到測量角度與實際角度對比曲線如圖7所示。

圖7 實際角度與測量角度對比曲線Fig.7 Comparison curve between actual angle and measured angle

分析圖7可知,測角角度與實際角度較為一致,誤差大小在2°內。

3.3 交叉眼干擾實驗步驟及結果分析

在矢量網絡分析儀精確測角的基礎上,開展交叉眼干擾試驗和數據分析。

3.3.1 交叉眼干擾實驗步驟

步驟 1用低噪放、功分器和幅相調整網絡及天線組成的交叉眼干擾實驗樣機替換單個輻射源,并將矢網端口1與低噪放相連,將連接兩喇叭天線端的射頻線分別連接矢量網絡分析儀端口2和端口3,調節移相器和衰減器的刻度,記錄不同移相器刻度和衰減器刻度下S23的幅值和相位。

步驟 2使交叉眼干擾原理實驗樣機的干擾天線與固定橫架垂直,盡可能保證干擾天線朝向一致,同時使干擾天線中心正對雷達天線中心。

步驟 3將矢量網絡分析儀端口2和端口3分別連回雷達天線1和天線2,交叉眼干擾實驗樣機幅相調整網絡端口連回喇叭天線3和4,并測量和記錄喇叭天線3和4單個輻射信號時矢量網絡分析儀S21和S31的幅值和相位。

步驟 4使喇叭天線3和4同時輻射信號,先調節交叉眼干擾實驗樣機的移相器刻度,然后依次調節兩個衰減器刻度,使兩路信號相位差在180°左右變化時,幅值比近似不變,并記錄不同移相器、不同衰減器刻度時S21和S31的幅值和相位。

步驟 5在軟件中將記錄的S21和S31的幅度和相位代入公式進行計算。

3.3.2 實驗結果分析

交叉眼干擾原理實驗樣機喇叭天線1和天線2分時工作時,基于矢量網絡分析儀測量得到的S21和S31的幅值比和相位差,以及離線計算的輻射源角度和實際角度如表2所示。

表2 測量的S21/S31數值Table 2 Measured S21/S31 value

從表2可知,雷達測得的輻射源喇叭天線3和天線4的角度大小基本相同,并與實際角度誤差約1°,因此喇叭天線3和天線4基本正對單脈沖雷達接收天線中心。

由于幅值比接近0 dB,相位差接近180°時,交叉眼干擾信號功率處于抵消狀態,矢量網絡分析儀接收的能量過小,測量誤差變大,本次測試分別選取交叉眼干擾原理實驗機幅值比2 dB和4 dB附近時,不同相位差對應S21和S31的參數。

當使交叉眼干擾實驗樣機的幅值比維持在2 dB,相位差從50°至250°內變化時,矢量網絡分析儀兩接收通道的幅值比和相位差變化如圖8(a)和8(b)所示,得到的交叉眼干擾下的理論值與實際測量計算值結果如圖8(c)所示。

圖8 設定幅值比為2 dB附近時對應的角度Fig.8 Corresponding angle when the amplitude ratio is set around 2 dB

當使交叉眼干擾原理實驗機的幅值比維持在4 dB,相位差從120°至300°內變化時,矢量網絡分析儀接收兩通道的幅值比和相位差變化如圖9(a)和9(b)所示,得到的交叉眼干擾下的理論值與實際測量計算值結果如圖9(c)所示。分析圖8和圖9可知,測試的角度值與理論角度值變化趨勢一致,當幅值比分別為2 dB和4 dB時,測量值在190°處附近的角度值最大,與理論最大值對應的相位差均接近10°。當幅值比為2 dB時,測量的最大角度值與理論最大角度值差約2°;當幅值比為4 dB時, 測量的最大角度值與理論最大角度值的相差約1°,兩者的誤差變小,這是因為干擾信號抵達測向天線合成后的功率更大,矢量網絡分析儀信號處理的信噪比越大。由于干擾天線的半張角約8.23°,無論是幅值比為2 dB或是4 dB,根據式(10)和式(11)換算成交叉眼增益后,其理論值與測量值誤差均小于0.5。

圖9 設定幅值比為4 dB附近時對應的角度Fig.9 Corresponding angle when the amplitude ratio is set around 4 dB

3.3.3 誤差原因分析

由于干擾機天線采用非反向布局模式,交叉眼干擾實驗樣機喇叭天線會引入額外的相位誤差,而在利用矢量網絡分析儀測量交叉眼干擾原理實驗機數控衰減器和移相器不同刻度的相位值時,無法將喇叭天線引起相位誤差考慮在內。交叉眼干擾實驗樣機兩喇叭天線相位不一致性主要由以下兩方面造成,一是天線加工存在公差,微小的公差在微波段會引起相對較大的相位偏差;二是即使兩干擾喇叭天線饋源中心與雷達天線中心重合,幾何距離上兩干擾喇叭天線饋源至測向天線中心相等,理論上可消除非反向交叉眼干擾信號傳輸路徑差異的影響。但喇叭天線的相位中心靠近喇叭口面中心,當兩喇叭天線相對于測向天線的朝向不一致時,兩者的相位中心點不同,在空中路徑上會引起新的相位差。對此,本文利用HFSS軟件對交叉眼干擾原理實驗機的喇叭天線的相位中心展開仿真,仿真模型如圖10所示,分別仿真喇叭天線不同轉角對應的喇叭天線相位中心,發現不同轉角時相位中心會發生變化,如兩個喇叭天線轉角相差10°時,相位中心在H面差約5 mm,E面相差約4 mm。

圖10 喇叭天線仿真模型(E面)Fig.10 Horn antenna simulation model (Side E)

但通過對比分析圖8(c)和圖9(c)可知,在干擾機天線與雷達天線相對位置不變時,干擾天線相位中心引入的路徑差異比較固定,論文開展的實驗中其相對值為10°,可通過交叉眼原理實驗樣機的幅相網絡對相位進行調整,對其進行補償,進而實施反向交叉眼干擾實驗。

4 實驗系統對比分析

通過第3.3節理論結果與試驗結果的對比分析可知,本文設計的交叉眼干擾試驗系統可行。通過第1.2節反向交叉眼干擾與非反向交叉眼干擾模型可知,當交叉眼干擾天線正對單脈沖雷達天線時,非反向交叉眼干擾信號傳播路徑相等,非反向交叉眼干擾演變成反向交叉眼干擾。因此,通過將交叉眼干擾天線正對單脈沖雷達天線,可部分開展反向交叉眼干擾驗證試驗。文獻[25]基于環形器和脈沖矢網設計的反向交叉眼干擾實驗系統,由于交叉眼干擾機為轉發體質,要求基于矢網模擬的單脈沖雷達主動發送信號,干擾機才能對模擬的雷達信號進行轉發,進而對雷達形成干擾,因此其模擬適用場景只能針對主動單脈沖雷達。在模擬交叉眼干擾類型和單脈沖雷達類型、交叉眼干擾機和矢量網絡分析儀對信號處理功能要求以及模擬交叉眼與單脈沖雷達對抗所適應得場景等方面,本文設計的交叉眼干擾試驗系統與文獻[25]設計的交叉眼干擾試驗系統對比如表3所示。

表3 基于矢量網絡分析儀的實驗系統對比Table 3 Comparison of experimental systems based on vector network analyzer

5 結 論

本文基于交叉眼干擾原理、單脈沖雷達測角原理和矢量網絡分析儀精確的幅相測量特性,設計了基于非脈沖矢量網絡分析儀的非反向交叉眼干擾實驗系統,可得到如下結論。

論文基于矢量網絡分析儀的交叉眼干擾實驗結果與理論結果變化趨勢一致,測角最大值與理論最大值誤差在2°內,換算對應的交叉眼增益誤差小于0.5。

干擾機天線與雷達天線相對位置不變時,干擾天線朝向差異及加工公差會引起天線相位中心變化,干擾天線非互易性會對干擾信號引入固定的相位差,在實驗中可通過補償消除。

本文設計的基于常規矢量網絡分析儀的交叉眼干擾實驗系統簡易可行,可模擬非反向交叉眼干擾對被動單脈沖雷達干擾,亦可部分模擬反向交叉眼干擾應用場景,為交叉眼干擾設計驗證和工程測試中提供指導。