交叉極化干擾工程邊界條件研究范文

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《電子信息對抗技術雜志》2016年第4期

摘要:

深入討論了交叉極化干擾的工程化問題，詳細分析了自適應交叉極化信號產生的天線極化特性和幅相控制要求，闡述了該技術工程實現方面的邊界條件，對該技術在實際裝備的應用提供了指導意見。通過理論分析和相關計算表明:如果能將通道相位和幅度誤差分別控制在*6°、*0．5dB，就能夠滿足交叉極化干擾的控制要求。

關鍵詞:

交叉極化干擾;幅相精度;極化純度

1引言

極化是電磁場中電場矢量在垂直于傳播方向的平面上隨時間變化的軌跡，是電磁波的基本特征之一。由于不同極化形式的電磁波傳播特性不盡相同，雷達設計時要根據其用途選擇合適的極化形式，以充分利用電磁波的能量。雷達選擇的極化形式是雷達的重要參數，是雷達的主極化或匹配極化，其實還存在與其正交的極化能量，稱為交叉極化。對單色TEM平面波而言，如果將雷達傳播方向定為Z軸，其電場矢量可由水平分量和垂直分量表示:EHV=EH(z，t)EV(z，t[])=tHej(t－kz+H)tVej(t－kz+V[])(1)雷達常用的極化方式有水平極化(tV=0)、垂直極化(tH=0);左/右旋圓極化tH=tV、+φH－φV+=#/2等。由于工程原因，實際雷達輻射的信號是主極化與正交極化并存。除非是極化體制雷達，雷達要盡量保證主極化的能量，抑制正交極化的能量以提高雷達的工作效率。一般來講，將天線主極化增益與正交極化增益比稱為雷達的極化抑制比。交叉極化干擾是通過產生與雷達極化特性正交的干擾信號破壞雷達的測角系統，是對單脈沖雷達非常有效的干擾技術。文獻［4］報道稱美國出口阿聯酋的F－16Block60戰斗機具有交叉極化干擾能力，但由于保密原因，我們無法獲取更多的技術細節。國內業界更多地認為該技術工程難度大，費效比高，不具備實際裝備的條件。近期國外市場出現某型具備交叉極化干擾的裝備，能對中制導和末制導產生角度干擾，這才引起國內雷達界和對抗界的重視。其實交叉極化干擾早在70年代初就被提出，文獻［1］對其基本原理、應用方式、工程實現架構都做了介紹。本文結合國內的技術水平，深入分析在工程上實現交叉極化的邊界條件。

2交叉極化干擾的工程難點

交叉極化干擾顧名思義是要產生與雷達信號正交的交叉極化信號，如果在雷達主極化方向有泄漏，該信號將被雷達匹配接收，干擾信號就會以信標方式被雷達所接收，無法實現角度干擾的目的［1］。要避免這種情況發生，干擾信號必須盡量保持與雷達主極化的正交性。減少甚至消除共極化方向的泄漏。假定要干擾一部垂直極化的雷達，必須產生一個強的水平極化干擾信號Pj，如圖1所示。如果產生的正交極化信號有2°的誤差，則會產生一個垂直極化分量信號Vjv:Vjv=Vjhtan2°=0．035Vjh相對應的功率為:Pjv=1．2×10－3Pjh，所以，PjvPjh≈－29dB干擾信號的這種垂直極化分量Vjv將會幫助雷達進行目標跟蹤，對干擾起到反作用。雷達天線的極化純度一般優于30dB，所以要求干擾信號與雷達信號的正交極化方向之差小于2°［1］。這是實現交叉極化干擾的主要難點。控制干擾信號極化的手段常有兩種:一是在天線口面加裝極化天線罩的無源手段，這顯然不能用于機載電子自衛系統，因為隨著飛機的運動，交叉極化干擾的極化形式必須實時地與接收到的雷達極化特性保持正交，無源控制極化的方法無法保證實時變極化的要求。二是通過給一對正交極化的天線饋入相干信號，控制兩個信號的幅度和相位來實現。前面說過電磁波的極化是電場矢量的軌跡，可以看做水平矢量和垂直矢量的合成。通過控制電場的水平矢量和垂直矢量的幅度比以及相位差即可實時改變信號的極化方向。文獻1提出了的2種可實時產生交叉極化干擾信號的結構。圖2是基于應答式干擾的交叉極化干擾機框圖。圖2中采用一對正交極化天線接收雷達信號，極化敏感元件通過測量來自正交極化天線的信號分量獲得雷達信號的極化特性，并在干擾時通過控制極化裝置對噪聲信號的調制，產生與雷達信號正交極化的干擾信號。圖2的原理看似很簡單，但實際上極化敏感元件和極化控制裝置并不容易制作，特別是要在數倍倍頻程的寬帶微波系統上實現優于2°的控制精度幾乎不可能的。圖3是基于轉發原理的交叉極化干擾框圖。仍然采用一對正交極化天線接收雷達信號，并分別在與自身正交的天線上轉發接收的信號，其產生正交極化干擾信號的原理可以用圖4矢量圖直觀地表示。圖4表明，利用雙通道轉發產生正交極化的必要條件是兩個通道在轉發過程中保持增益一致、相位差反相。過去，圖3在工程化時也很難滿足，因為行波管屬于非線性器件，難以保證幅度的一致性和相位的穩定性。所以文獻［1］雖然提出了兩種解決方案，但VanBrunt認為很難制造高純度的極化，即便轉發式干擾也很難獲得需要的誘偏角度。但隨著大功率固態放大器的出現，其線性放大特性得以改善，轉發式交叉極化干擾具備了工程實現的可能，下面分析該方案的工程邊界。

3工程實現邊界條件分析

3．1對干擾天線的特性分析

在圖3的轉發干擾方案中，采用了一對水平極化和一對垂直極化的天線。假設水平極化天線增益為:g1=g3=(gH，gV)(2)其中，gH為天線水平極化的增益、是天線的主極化分量，gV為天線垂直極化的增益，是天線的正交極化分量。假設垂直極化天線增益為:g2=g4=(g'H，g'V)(3)g'v:天線垂直極化的增益、是天線的主極化分量，g'H:天線水平極化的增益、是天線的正交極化分量。t=(tH、tV)是雷達信號水平極化和垂直極化的信號幅度，因此雷達極化方向為:α=arctan(tvtH)(4)根據雙通道轉發、一路反相后，輸出的干擾信號為:通道1:(gHtH+gvtv)(g'H，g'v)通道2:(g'HtH+g'vtv)(－gH，－gv);合成信號:(g'Hgvtv－gHg'vtv，g'vgHtH－gvg'HtH)=(g'Hgv－gHg'v))(tv，－tH)則干擾信號極化方向:α'=－arctan(tHtV)=π/2*α(5)除非(g'Hgv－gHg'v)=0，一般情況下，無論所采用的水平、垂直極化的干擾天線極化純度如何，也無論兩組天線的極化特性是否一致，只要保證轉發通道的增益一致、相位差180°，合成的干擾信號就必定與雷達信號正交。上面的推導表明:轉發式交叉極化干擾對干擾天線的極化特性幾乎沒有什么限制，否定了過去認為干擾天線的極化純度必須優于雷達天線的極化純度的傳統觀點，后面我們看到，選用極化純度高的天線，可以降低通道一致性的要求。

3．2幅相控制要求

圖4表明，在轉發干擾中，要產生與接收信號極化正交的干擾信號，必須保證兩個通道的增益一致，相位反相。實際上，兩個通道無法做到理想的增益一致和相位反相，通道間必然存在增益比μ%1、相位差γ%180°，假設該誤差體現在通道2上，則通道2的輸出信號為:－k(g'HtH+g'vtv)(gH，gv);k=μejγ與通道一合成輸出的干擾信號為:(gHtH+gvtv)(g'H，g'v)－k(g'HtH+g'vtv)(gH，gv)展開后得:((gHg'HtH+gvg'Htv－kg'HgHtH－kg'vgHtv)，(gHg'vtH+gvg'vtv－kgvg'HtH－kgvg'vtv))干擾信號極化方向:((gHg'v－kgvg'H)tH+(gvgv'－kgvg'v)tv)/((gHg'H－kg'HgH)tH+(gvg'H－kg'vgH)tv)如果采用極化特性相同的天線通過正交放置作為干擾天線，則gv,g'H，gH,g'v，ξ=gv/gH，為干擾天線的極化純度。上式分子分母同除以g2HtH，干擾信號極化方向:a″=arctan(1－kξ2)+(1－k)ξarctan(α)(1－k)ξ+(ξ2－k)arctan(α)(6)以(ξ、α)為參變量，可以計算滿足:+α″－α'+＜2°的K(μ，γ)的取值范圍，也就是交叉極化干擾的幅相控制要求，如圖5。從圖5的數據我們得到如下結論:

1)如果能將通道將相位和幅度誤差分別控制在*6°、*0．5dB之間，就能夠滿足交叉極化干擾的控制要求。

2)選用的干擾天線的極化純度越高，對通道的幅相控制要求越低。

3)雷達信號極化方向與其中任一干擾天線的夾角(取值范圍0～45°)對幅相控制需求的影響為:該角度越小，幅相控制要求越低，45°時要求最高。

4結束語

本文對自適應轉發式交叉極化干擾的邊界條件進行了深入分析。以目前的電子技術水平，采用雙通道轉發結構實現交叉極化干擾是比較好的選擇，已不存在技術瓶頸。在工程上，盡量選用極化純度高的干擾天線可以降低通道幅相控制的難度。

參考文獻:

［1］萊羅艾．B．范布朗特．應用電子對抗［M］．總參謀部第四部，等，譯．北京:解放軍出版社，1981．

［2］戴幻堯．雷達天線的空域極化特性及其應用［M］．北京:國防工業出版社，2015．

［3］林象平．電子對抗原理(下)［M］．西安:西北電訊工程學院，1980．

［4］付孝龍．單脈沖主動雷達導引頭角度欺騙干擾技術［J］．飛航導彈，2014(1):72－76．

［5］曹星江．交叉極化對單脈沖雷達角度欺騙干擾仿真分析［J］．電子科技，2013(10):131－144．

［6］代大海，王雪松．交叉極化干擾建模及其欺騙效果分析［J］．航天電子對抗，2004(3):21—25.

作者:黎盛泉 廖羽宇 陳寧 單位:電子信息控制重點實驗室