多波束及其在无人机上的应用

韩 剑，张 杰

（电子信息控制国家重点实验室，四川成都610036）

0 引言

无人机用于电子战是军用无人机应用领域的一个重要分支，已越来越引起人们的关注。但由于相控阵雷达特别是有源相控阵雷达的广泛使用，无人机面临着新的威胁，这就对无人机电子战设备提出了更高的要求，比如要具有瞬时宽空域截获能力、足够宽的瞬时接收频带、更高的灵敏度（提高10dB以上）、更高的干扰功率以及更强的多目标干扰能力。多波束技术对相控阵雷达具有较好的适应能力，能较好地满足以上要求。

1 多波束原理及适应能力

1.1 多波束原理及实现

电子战中多波束主要由透镜方式实现，其在车载和舰载电子战设备中已有使用。常见的透镜有Rotman透镜、Bootlace透镜、R－KR透镜、龙伯透镜等。这些多波束透镜的原理基本相似。

Rotman透镜的原理见图1。Rotman透镜两端分别为馈电弧和聚焦弧。馈电弧上分布波束口，聚焦弧上分布阵元口。阵元口通过等相位电缆与直线阵上各阵元相连。当从某一波束口馈电时，电磁波在透镜内传播，到达阵元口后，再沿等相位电缆传输到各阵元上。由于透镜的聚焦作用，将在某一方位上形成等波程面。在与等波程面垂直的方向上就形成了需要的波束。选择不同的波束口，就在不同的方向上形成需要的波束。

图1 Rotman透镜原理图

作为发射阵使用时，在透镜的阵元口和直线阵之间接上相位一致的功率放大器，就可以在空间合成大的等效辐射功率。作为接收阵使用时，在每个透镜波束口接上接收通道，可以同时得到多个接收波束。

可以看出，多波束技术本质上是一种相控阵技术，只不过是一种特殊形式的实延时相控阵。

以上介绍的是一维多波束，它形成的是扇形波束。除此之外，还有形成笔形波束的二维多波束，分为透镜阵列和二维透镜两种。

1.2 多波束的适应能力

1.2.1 多波束对相控阵雷达信号适应能力

1）空域截获能力

多波束天线阵具有宽的视场角，可同时产生多个波束覆盖威胁空域，如方位±45°的范围。只要相控阵雷达在该视场范围内，不管它如何灵活地扫描，都可以被侦收，如图2所示。这大大提高了对相控雷达信号的截获能力，解决了一般窄波束电子战系统对相控阵雷达信号的接收难题。

图2 多波束空域截获能力示意图

2）带宽适应能力

透镜采用实延时技术，无色散，不会出现普通相控阵干扰机中波束指向和频率耦合的现象，波束指向带宽达数吉赫兹。对于常见的2～6GHz、6～18GHz这样宽的频率范围，波束指向不随频率变化，可适应相控阵雷达中的频率捷变、掩护脉冲的信号形式和宽带脉内调制。如，机载AESA雷达在4GHz频率范围内捷变时，多波束干扰机的波束仍可有效接收。

3）高灵敏度接收能力

多波束天线阵每一波束都具有天线阵全部孔径增益的能力。多波束接收天线增益相对于相同覆盖空域的宽波束接收天线可提高15dB左右。这大大提高的系统灵敏度，对采用功率管理的相控阵雷达信号有较强的适应能力，如图3所示。如果在直线阵和透镜阵元口之间增加相位一致性低噪声放大器，可进一步提高多波束接收系统的灵敏度。

3 多波束天线接收AESA雷达信号示意图

4）干扰功率合成能力

多波束发射机干扰功率空间合成，等效辐射功率大。这主要有两方面的原因：分布式发射机由多个小发射机构成，发射总功率为阵元数与单个小发射机功率的乘积，发射总功率大；天线阵口面大，天线阵增益高。此外，分布式发射阵减少了在集中式发射机中输出信号传输到天线阵面的所有损耗环节，包括功率分配器、移相器及其他传输线段的损耗，进一步提高了发射机输出功率。

多波束发射阵的等效辐射功率P可按下式计算：

式中，P0为单个功率放大器的输出功率；g0为发射阵单元天线的增益；N为阵元数；η为发射阵功率合成效率；θ0为波束扫描角。

例如，对于16元的多波束发射阵，单个阵元天线增益为10dB，单个功率放大器的功率为50W，合成效率80%，则可产生100kW的等效辐射功率。

这样的等效辐射功率不仅远高于传统干扰机，甚至高于某些相控阵干扰机。这是由于多波束发射机的功率放大器可采用行波管，单管功率高于相控阵干扰机中的T／R组件，在高频段更是如此。

1.2.2 多波束对多信号的适应能力

1）信号稀释能力

多波束天线阵每一个波束的宽度较窄，有较好的空间滤波作用，可对多信号环境进行稀释，以减小信号处理的压力，提高信号分选的准确性。以16个波束覆盖原来单个宽波束覆盖的空域（如±45°方位），则每个波束的信号密度降为原来的1／16。这在当今信号密度达百万脉冲每秒的作战环境下，对提高电子战系统的信号分选能力有很大帮助。

2）多目标干扰能力

多波束的多目标干扰能力体现在两方面：

①同时多目标干扰。多波束遵守“叠加原理”，不同的波束，甚至是同一波束都可以由不同的信号叠加，以实现同时多目标干扰，如图4所示。每个干扰信号都具有全部孔径的增益，不会出现相控阵中由于采用子阵而出现的天线增益下降的现象，增强了多目标干扰能力。

②分时多目标干扰。多波束天线阵可以极快地切换波束。波束切换通过波束口的小功率单刀多掷PIN开关实现，切换时间只有几十纳秒，可实现灵活的分时多目标干扰。

1.3 多波束技术其它特点

1）控制简单

多波束接收或发射系统不需要复杂的波控系统。波束的选择只需通过简单的低功率PIN开关即可实现，降低了系统的复杂性。

图4 多波束同时多信号干扰示意图

2）可靠性高

多波束系统的高可靠性体现在两个方面。①由于采用空间功率合成技术，单个发射机输出功率大大下降，发射机的可靠性得到提高；②部分功率放大器的故障将使多波束发射阵输出的等效辐射功率有一定的下降，但不会完全失效，提高了系统的冗余度。例如，对于16元阵来说，当有2个功率放大器故障时，其等效辐射功率只损失1.2dB，对干扰效果只是略有影响。这一点，与相控阵干扰机类似。

3）成本低

多波束的主要核心部件——多波束透镜为机械状置，其成本主要为加工成本。因此，相对于相控阵成本低很多，有利于产品竞争力的提高。

正是由于多波束技术具有这些优点，美国的AN／ALQ－184（V）干扰吊舱和下一代舰载干扰机AN／SLQ－54EW就采用透镜馈电多波束天线阵。

2 多波束在无人机平台的应用

随着电子战无人机朝大型化方向发展，多波束技术有了一展身手的机会。相比于地面或舰载的多波束，由于平台的变化，无人机平台上的多波束有其自身的特点，设计上有特殊的考虑。

2.1 无人机上多波束的特点

1）安装条件受限

大型无人机载质量已由中小型无人机的几十千克提升至数百千克。可供电子战设备使用的安装条件有了很大改善，但相比于地面设备和舰载设备来说还是十分受限。这也限制了多波束的设计。首先，要控制接收通道和发射通道的设备量，多波束的波束数和阵元数不能太多。一般来说，8～16个波束较为合适。当前，对于一个90°方位内有16个波束的系统来说，测向精度可达2°以内，干扰等效辐射功率达百千瓦量级，基本满足无人机电子战设备需求。其次，多波束的工作方式应以分时多波束为主。完全并行的同时多波束需要较多的通道，无人机上不宜采用。设计中为兼顾设备量和截获概率，可采用接收检测通道并行、处理通道共用的方式。一旦检测到某一波束有威胁信号，则通过快速引导将该波束切换至公用处理通道中，以减小处理通道数量。再次，对于发射多波束阵，在功放类型和散热方式的选择要充分考虑体积和质量的限制。一般来说，固态功放体积、质量较小，热密度也不大，可采风冷散热，可优先选用。

2）供电受限

虽然大型无人机平台供电可达数十千瓦，但同时还要给飞控系统、通信系统、导航系统等供电，留给电子战设备的供电还是不太宽裕，一般只有几千瓦。这将制约多波束发射阵功率放大器的数量和功率放大器的类形选择。功率放大器的选择上，效率是主要考虑因素。工作频段较低时，固态功放的效率优势较为明显，随着频率升高，固态功放的效率明显下降，而行波管效率较高。此外，为了无人机供电安全，平台对电子战设备带来的配电系统的电压和电流畸变有严格要求。无人机上多波束供电设计较地面或舰载多波束困难得多，尤其是供电匹配网络将占用宝贵的载荷和安装空间。

3）环控条件受限

中小型无人机上的环控主要采用强迫风冷或环境冷却的方式，散热量较小，不能完全满足多波束发射阵的散热需求。在大型无人机上，环控条件已有改观，有些大型无人机上已有液冷环控装置，但受体积和质量的限制，散热量只有几千瓦。多波束发射阵的主要发热部件为电源和功率放大器。环控条件对多波束发射阵最大的限制就是阵元数的选择。阵元数越多，相应的功率放大器和电源模块就越多，所需的环控散热量也越多。因此，在无人机平台上设计多波束系统时，环控条件往往成为确定阵元数量的制约因素。

2.2 无人机上多波束的设计

1）多波束天线的布局和透镜设计

对于自卫干扰和随队支援干扰来说，威胁主要来自无人机的前、后方向。接收多波束阵和发射多波束阵可以分别布置于无人机机身两侧。并尽量利用机身的遮挡，提高收发天线之间的隔离，实现收发同时工作。对于远距离支援干扰来说，由于威胁目标位于无人机机身侧面，接收多波束阵和发射多波束阵应布置于无人机机身的同一侧。

多波束透镜设计方面，虽然形成多波束的原理相同，但对于发射多波束和接收多波束的设计准则却有所差别。对于发射多波束，阵列的边缘激励电平应尽可能高，以提高阵列的口径利用系数，得到更大的阵列增益。并且，相邻波束交点绝对电平应尽量高一些，以减小在相邻波束交界处增益的损失；对于接收多波束，则降低阵列的边缘照射电平，以得到低副瓣的阵列特性。同时，全频段范围内波束宽度应相对恒定，天线波束交点设计为－3dB左右，这样既有较高的灵敏度又有良好的比幅测向精度。

2）引导方式

为简化设备，同时提高反应速度，多波束发射阵和多波束接收阵可采用相同的阵列，波束设计为一一对应。接收波束直接引导发射波束，引导更加简单、快速。接收阵某个波束接收到信号，就从发射阵相应的波束发射干扰信号，如图5所示，无需像一般的干扰系统先通过测向确定目标方位，才能引导干扰波束指向该方位。同时，该方式可利用多波束接收阵增益高的特点，提高系统灵敏度，以实现对包括有源相控阵雷达功率管理模式在内的低截获（LPI）信号的接收。

图5 接收多波束引导发射多波束示意图

3）干扰方式

自卫干扰时，干扰功率相对较小，可实现收发同时工作。工作方式为：接收天线阵实时接收外界威胁信号，实时进行信号处理和干扰信号产生，同时干扰信号选择相应的发射波束发射出去。因干扰脉冲相对于接收到的雷达信号没有时延，故有利于对付雷达前沿跟踪和频率捷变工作方式。如图6所示，支援干扰时，由于干扰功率大，收发隔离可能不足。此时的工作方式为：首先对各个雷达信号进行一段时间的侦察，通过功率管理控制器设置相应的跟踪参数，当预测某一目标信号出现时，即用相应的接收波束进行接收，接收完整个脉冲后，再产生干扰信号从对应的发射波束对其干扰，如图7所示。

图6 自卫干扰时序图

图7 支援干扰时序图

需要干扰多目标时，干扰机既可采用分时干扰方式，也可采用同时干扰方式，或者将两种干扰方式相结合，以适应不同的干扰要求。在多目标同时干扰时，等效辐射功率为相控阵干扰机的子阵方式的m倍（m为子阵数）。

3 结束语

本文介绍了多波束技术的特点及其对现代电磁威胁环境的适应能力。作为一种先进的干扰技术，其在无人机平台上的发展将对电子战无人机起极积的推动作用。■

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