宽带小型相控阵发射多波束合成技术

李贵

（中国西南电子技术研究所四川成都610000）

随着美国导弹防御系统的发展，其预警、制导雷达性能持续升级，瞬时信号带宽可达到4 GHz以上，工作频段逐渐拓宽（从P波段、L波段、S波段、C波段、X波段一直向X波段、Ku波段甚至Ka波段进行覆盖），工作体制先进，组网协同作战能力日益增强。例如，单航母战斗群内，三部宙斯盾雷达可进行组网工作，基于信号级、数据级、信息级协同，其作战模式深度铰链，对来袭目标不仅能“一看一”，而且具有“多看一”能力，多雷达实时对抗日益成为导弹突防过程中面临的主要问题，对我国导弹突防构成了新的挑战[1，5]。

传统的弹载雷达干扰机基于传统天线技术，采用单信道、宽波束天线对目标雷达进行分时干扰，干扰覆盖时隙短、干扰功率利用效率低，多目标雷达干扰效能不能满足日益严峻的导弹突防形势需要[6]。尤其是，当多部目标雷达组网工作后，多基地、协同探测、ISAR成像等先进技术体制运行其中，雷达信号侦察性能应大大提高，雷达对抗手段和干扰策略应更加丰富，侦干协同运行效率大大加强，才能适应多部雷达的体系对抗作战需求。

相控阵技术具有空间功率灵活控制、同时多波束形成及表面共形等诸多优势，可实现对多部目标雷达的同时精准干扰，为解决多目标雷达干扰效能低的问题提供了新的思路和方法[7]。一方面，通过精准波束，提高空域分辨能力，以及干扰天线增益，从而有效提高目标分辨力和干扰有效功率，提高干扰效能。另一方面，基于雷达信号侦察、测向、定位，获取目标分布态势，从而实时摸清目标多基地分布情况，并制定针对雷达接收机的干扰策略，实施针对性干扰，避免空域盲干扰带来的干扰功率损失，从而提高干扰效能。

在弹载干扰机的设计方面，需考虑到导弹弹体空间限制，对弹载干扰机的小型化、轻质化和高效性需求提出了更高要求。本文根据前文所述的弹载干扰机面临的挑战与需求，提出了一种基于相控阵干扰技术的小型化弹载干扰机设计技术，重点突破宽带小型相控阵发射多波束合成技术，并研制样机进行功能性能试验验证，为新型弹载干扰机装备的发展提供理论和技术支撑。

1 小型相控阵阵面结构

根据导弹装弹要素，小型相控阵阵面采用9阵元3×3平面阵结构[8，9]。阵面工作频段覆盖8～12 GHz，阵元间间距为16 mm，阵元结构及阵列信号空间结构如图1所示。

图1 阵元结构示意图

θ、φ分别代表信源的仰角和方位角，空间第i个阵元与参考阵元（参考阵元在原点）之间的波程差如（1）式所示。

9个阵元均在xy平面，所以zi为0，则阵列的导向矢量表达式如（2）所示。

2 发射多波束数字合成算法

目前，多波束合成算法主要有直接波束合成算法、移频移相算法和基于MVDR波束形成法等。本文首先对3种算法进行算法模型建模，基于Matlab仿真验证，分析比对并评估3种算法的计算量及性能，并结合多部雷达同时干扰对干扰波束的实际需要，最终选择基于直接波束合成算法实现宽带相控阵发射多波束合成，并在样机中进行编程实现[10，14]，通过暗室试验验证其性能。

2.1 直接波束合成算法

在直接波束合成算法中，阵列输出选取一个适当的加权向量以补偿各个阵元的传播时延，使在某一期望方向上的阵列输出可以同相叠加，从而使阵列在该方向上产生一个主瓣波束。

用矢量来表示各阵元输出，表达式如（4）式所示。

波束形成器在期望信号上的加权矢量构成如式（5）所示。

阵列输出表达式可表示为（6）式。

为验证算法性能，对分别输入3种不同频率的点频信号、线性调频信号、相位编码信号进行多波束仿真，实现了同时三波束合成，仿真结果如图2所示。线性调频信号起始频率10.5 GHz，带宽10 MHz，方位角-40°、俯仰角40°；二相编码信号载频10.7 GHz，方位角70°、俯仰角37°；单频脉冲信号载频11 GHz，方位角-30°、俯仰角-40°。

图2 直接波束合成三维方向图

2.2 移频移相法波束合成算法

对于线性调频信号，基于移频移相法的多波束合成算法性能较优[15]。

若第i个阵元信号相对于参考阵元的包络延迟为τi，设基准线性调频源表达式如（7）式所示。

若将S(t)乘以再以第i个阵元发射出去，则可以补偿掉因延时而引起的频移和相移，实现发射波束形成，即

分别输入3种不同频率线性调频信号进行多波束仿真，实现了同时三波束合成，仿真结果如图3所示。线性调频信号起始频率10.5 GHz，带宽10 MHz，方位角50°、俯仰角-40°；线性调频信号起始频率10.7 GHz，带宽10 MHz，方位角40°、俯仰角40°；线性调频信号起始频率11 GHz，带宽10 MHz，方位角-50°、俯仰角-40°。

图3 移频移相波束合成算法的三维方向图

2.3 MVDR多波束形成算法

MVDR多波束形成算法不受限于信号类型，有较高的角分辨率，波束形成效果较好[16]。第i个阵元上的信号表示如（14）式所示。

式中，θd、θj、ni(t)分别表示信号、干扰和噪声。此时波束形成器的输出平均功率如（15）式所示。

得到关于权矢量的约束条件，即

在约束条件下，利用Lagrange乘子法求得最佳权矢量如（18）式所示。

在多波束形成中，形成其中一个信号的波束时，将另外2个信号作为干扰信号，依此类推。算法Matlab仿真验证时，分别输入3种不同频率、不同脉内调制方式的雷达信号，如线性调频信号、二相编码信号、单频简单脉冲信号进行多波束仿真，实现了同时三波束合成，仿真结果如图4所示。线性调频信号起始频率 10.5 GHz，带宽 10 MHz，方位角 0°、俯仰角 0°；二相编码信号载频 10.7 GHz，方位角-40°、俯仰角-40°；单频脉冲信号载频 11 GHz，方位角-30°、俯仰角-30°。

图4 MVDR算法三维方向图

2.4 算法小结

前文分析的3种宽带小型相控阵发射多波束实现算法，在阵元数量较少的情况下，均实现了同时多波束形成。

直接波束合成算法和移频移相算法的波束宽度较宽，旁瓣较高（大约为-3 dB），MVDR法具有较好的俯仰向波束宽度，旁瓣抑制能力较高（大约-8 dB）。直接波束合成法和移频移相法计算方法简单，适合用于工程实现；MVDR算法的计算方法过于复杂，不利于工程实现。

对于电子干扰，旁瓣不是主要的考虑因素，只要主瓣能量达到目标雷达干扰所需功率值，就能保证干扰效能；同时根据弹载干扰机的作战任务，雷达干扰应采用计算量小、反应时间快的多波束合成算法。因此，宽带小型相控阵发射多波束工程样机的核心处理算法采用直接波束合成算法，实现同口径数字多波束。

3 样机实现

基于直接波束合成算法，研制样机对其多波束合成性能进行验证，其验证样机及实现算法如图5和图6所示。综合相控阵天线测试方法[17，19]，设计优化的测试流程进行微波暗室实测，结果数据拟合情况如图7所示。

图5 验证样机

图6 实现算法

样机采用直接波束合成算法，针对不同频点、不同方向的干扰信号，将每一个干扰信号复制成9路，然后对这9路进行波束加权，形成3路干扰信号。最后将3路干扰信号的加权输出相加后发射出去，每一路干扰信号可以不同频、不同调制方式、不同波束指向。

通过实测表明，样机实现了同口径宽带数字多波束合成算法，验证了3个不同频率不同调制样式的发射多波束性能。实测结果达到以下指标：

1）波束宽度小于40°；

2）波束指向精度在5°误差以内；

3）每个波束天线增益在5 dBi以上；

4）波束切换时间小于100 ns。

图7 样机测试结果

4 结束语

基于小型相控阵技术的弹载干扰机是我军导弹通装设备的重要发展方向。本文根据弹载雷达干扰机装机要素及多目标高效能对抗的迫切需求，研究了3种适合小型数字相控阵的同口径多波束合成算法。通过算法仿真及样机测试验证表明，与传统雷达干扰机相比，实现的多波束具备精确对准、波束灵活控制、干扰能量集中、反应时间快等诸多优势，非常适合应用于弹载雷达对抗，保障导弹顺利遂行其作战任务。

实测表明，基于直接波束合成算法研制的工程样机，体积、功耗比传统雷达干扰机稍大，热学设计不够优化，工作可靠性、稳定性欠佳，还需在小型化设计、可靠性设计、工艺设计等方面进一步研究，继续提升技术成熟度，推动宽带小型相控阵发射多波束合成干扰技术向型号装备应用进一步发展。

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