发射多波束形成技术在电子战中的应用

王 明，柳桃荣

(华东电子工程研究所，安徽 合肥 230088)



发射多波束形成技术在电子战中的应用

王 明，柳桃荣

(华东电子工程研究所，安徽 合肥 230088)

在电子对抗领域，发射多波束技术是提高电子干扰性能的一项关键技术，随着数字信号处理技术的高速发展，数字发射多波束技术应用于电子对抗已成为可能。发射波束零陷技术、发射通道之间的幅度相位误差分析及校正技术是发射多波束系统设计和实现的关键技术，论文主要针对这几项关键技术进行了研究。

发射波束形成；电子战；校正；干扰

0 引 言

随着现代科技的飞速发展，国内外越来越重视雷达干扰和雷达反干扰的研究，使得电子对抗领域中电子干扰的装备水平和战术应用上都会面临新的挑战。在充分保护自己安全的前提下又能更加有效地破坏敌方的威胁系统，雷达干扰和反干扰研究成为电子攻击战中电子干扰研究的重要内容，而发射多波束形成技术就是其中重要一项[1]。

传统的发射技术只有一个发射波束，系统通过天线机械方式或电子方式改变波束的方向来增加其覆盖范围；在电子战中，发射的干扰信号不仅需要具有大的空间辐射范围，甚至要求具备大的频谱覆盖宽度，这会导致干扰效率下降。采用发射多波束技术可以克服干扰效率下降的问题，这种技术提高了频率资源的利用率，获得了较高的增益和较高的空间覆盖率[2-3]。

发射多波束技术就是利用阵列可以通过空间合成提高辐射功率特性，控制发射波束指向，实现对多目标干扰的能力。通过加载不同的干扰产生算法，可产生宽带噪声、窄带噪声、梳状噪声、连续波(CW)扫频、密集假目标等多种干扰样式，从而具备不同的干扰能力。本文对发射波束形成原理、发射波束零陷技术、发射通道幅相校正以及系统设计和算法仿真等关键技术进行研究分析。

1 关键技术分析

1.1 发射数字波束形成(DBF)原理

考虑某电子干扰系统需要对不同方位的4批目标进行干扰，那么就期望在这4个目标对应的方位同时形成4个波束，每个波束的干扰样本均可控，假设发射天线是一个N阵元的线阵，4个方位指向分别是θ1、θ2、θ3和θ4，干扰样本分别是s1(t)、s2(t)、s3(t)和s4(t)，干扰示意图如图1所示[4]。

根据权系数计算公式：

(1)

式中：k为阵元序号；d为阵元间距；θ为波束指向；λ为发射信号波长。

因此第k个阵元的发射信号为：

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

(2)

(3)

式中:i=1～4,共4个波束数;k=1～N,共N个阵元数。

1.2 发射波束零陷控制

自适应发射波束形成的主要思想是利用自适应算法调整阵列权向量，使天线主瓣指向期望目标方向，而使来自外部的干扰方向对准零陷，尽可能地提高阵列输出所需信号的强度，同时减小外部干扰信号的强度，从而提高阵列输出的信噪比[5]。

权矢量w及方向矢量a(θ)可以看作是M维空间中的矢量，2个矢量之乘积确定了波束形成响应。换句话说，响应AF(θ)取决于两矢量w与a(θ)之间的夹角。当w与a(θ)正交夹角为90°时，响应为0；w与a(θ)之间的夹角为0°时，响应幅度为最大。因此，不同位置上的信号源区分能力就取决于a(θ1)和a(θ2) 之间的夹角。

发射DBF加权的权值根据波束指向、置零方向和零陷深度共同决定，第j个频点的权向量计算公式为：

(4)

式中：anj为第j个频点的第n个干扰导向矢量；a0j为第j个频点期望方向的导向矢量；pn为对第n个干扰置零的深度；pdl为对角加载常数，作用是降低旁瓣电平。

1.3 发射通道校正技术

由于系统各通道存在幅相不一致性，会影响DBF的性能，因此波束形成器需要进行校正处理，即对各路复信号进行幅相误差补偿后再形成所需要的波束指向。校正有接收通道校正和发射通道校正2种状态，要分别进行校正。这里只考虑发射通道校正。

若测试采样信号为：

xi=aiejθi=Ii+jQi

(5)

式中：i为阵元通道号，则校正系数为：

(6)

发射通道校正时，每组各通道逐一校正。首先在发射校正触发和发射通道控制代码的控制下，校正信号源用点频，产生1路发射波形信号耦合到参考接收机作为幅度相位参考，收发系统依次选择不同的通道的发射波形和收发开关信号，这样控制所有通道分时切换测试信号进行功率发射。发射功率经校正网络耦合、矩阵开关送到校正接收机，校正和参考2路接收机的I/Q数据送DBF分系统，得到所有发射通道在不同频率时的幅度、相位相对值，用此解算出的相位权系数修正发射波束形成。

1.4 发射多波束非线性影响

当前一般的干扰机都是单波束发射，通常它只能对付1个雷达目标，难以对宽频带范围内的多个雷达目标实施有效干扰。为了使干扰波束在频域和空域中能同时对付多个不同雷达目标，需要研究宽带阵列的多波束发射技术，使得干扰资源能够实现“一对多目标”工作。

对多目标干扰，发射多波束相对于单波束来说具有一定的优势，但其工作原理也存在着一定的局限性，因为目前考虑的发射多波束还是基于功率放大器工作在线性区，这样能很好地控制多波束的幅相加权。如果功率放大器工作在非线性区，就会导致失真问题，主要表现在干扰信号线性相加后的幅度失真和严重的互调失真，因此在实际工作中功率放大器应尽可能地工作在线性区。

2 系统设计

系统工作时最多需要同时干扰4批雷达，工程实现时采用并行处理方式，输入的4路样本信号并行通过4路波束形成模块，与通道校正系数和发射DBF加权系数合成，实现发射DBF功能。通过加权约束发射波束指向，通过通道校正使各个通道保持幅相一致性，通过波束置零降低外部对干扰机的影响。将每个波束各个阵元的干扰复信号分别送到收发分系统，由收发分系统完成数字上变频后进行4个信号的合成，再进行极化处理。

发射多波束原理框图如图2所示。

干扰机组成部分包含了数字波束形成(DBF)、数字上变频(DUC)、数模转换(DAC)、时钟控制、系统监控、激励放大控制等部分，系统主要完成对输入信号的DBF、DUC和D/A转换等处理，从而在数字域完成发射波束形成功能。其数据处理流程如图3所示。

3 发射多波束算法仿真

算法仿真条件如下：

发射载频：2.0～2.3 GHz；

信号带宽：200 MHz；

阵元间距：λ/2；

阵元个数：32；

波束指向：-30°，-10°，10°，30°；

零陷位置：40°～42°；

频率间隔：6.5 MHz；

频率点数：32个。

图4为发射波束及置零示意图，图5为置零波束局部放大示意图，其中实线波束为不同频点下的发射波束，虚线波束为多频点叠加后的波束。

4 结束语

通过对发射多波束在电子战中应用的分析研究发现，可以尝试使用与以往不同的干扰措施。对其中几个关键技术分析及仿真可以看出，理论分析与设计仿真取得了期望的一致性，故认为新的干扰方法具有可行性。当然其中还有很多课题值得研究，譬如如何保证功放在线性区工作等问题就需要相关专业人员深入研究。

[1] 赵红梅．星载数字多波束相控阵天线若干关键技术研究[D].南京:南京理工大学,2009．

[2] 刘重阳．基于阵列天线的多波束形成[J]．舰船电子对抗,2009，32(4)：109-112．

[3] 李霞.多波束阵列天线馈电网络及平面印刷中继天线研究[D]．西安：西安电子科技大学，2013．

[4] 吴鸿超，万长宁，熊慎伟，等.数字相控阵雷达发射多波束特性研究[J].微波学报，2014，30 (1)：6-9．

[5] 陈多芳，陈伯孝，刘春波，等.基于子空间投影的双基地地波超视距雷达直达波抑制方法[J].电子与信息学报，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