交叉極化干擾工程邊界條件研究

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1、交叉極化干擾工程邊界條件研究 交叉極化干擾工程邊界條件研究 2016/10/19 《電子信息對抗技術(shù)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(xì)分析了自適應(yīng)交叉極化信號產(chǎn)生的天線極化特性和幅相控制要求，闡述了該技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)方面的邊界條件，對該技術(shù)在實(shí)際裝備的應(yīng)用提供了指導(dǎo)意見。通過理論分析和相關(guān)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。

2、 關(guān)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(dá)設(shè)計時要根據(jù)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(dá)選擇的極化形式是雷達(dá)的重要參數(shù)，是雷達(dá)的主極化或匹配極化，其實(shí)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(dá)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(dá)

3、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(shí)際雷達(dá)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(dá)，雷達(dá)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(dá)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(dá)的極化抑制比。交叉極化干擾是通過產(chǎn)生與雷達(dá)極化特性正交的干擾信號破壞雷達(dá)的測角系統(tǒng)，是對單脈沖雷達(dá)非常有效的干擾技術(shù)。文獻(xiàn)［4］報道稱美國出口阿聯(lián)酋的F－16Block60戰(zhàn)斗機(jī)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(shù)細(xì)節(jié)。國內(nèi)業(yè)界更多地認(rèn)為該技術(shù)工程難度大，費(fèi)效比高，不具

4、備實(shí)際裝備的條件。近期國外市場出現(xiàn)某型具備交叉極化干擾的裝備，能對中制導(dǎo)和末制導(dǎo)產(chǎn)生角度干擾，這才引起國內(nèi)雷達(dá)界和對抗界的重視。其實(shí)交叉極化干擾早在70年代初就被提出，文獻(xiàn)［1］對其基本原理、應(yīng)用方式、工程實(shí)現(xiàn)架構(gòu)都做了介紹。本文結(jié)合國內(nèi)的技術(shù)水平，深入分析在工程上實(shí)現(xiàn)交叉極化的邊界條件。 2交叉極化干擾的工程難點(diǎn) 交叉極化干擾顧名思義是要產(chǎn)生與雷達(dá)信號正交的交叉極化信號，如果在雷達(dá)主極化方向有泄漏，該信號將被雷達(dá)匹配接收，干擾信號就會以信標(biāo)方式被雷達(dá)所接收，無法實(shí)現(xiàn)角度干擾的目的［1］。要避免這種情況發(fā)生，干擾信號必須盡量保持與雷達(dá)主極化的正交性。減少甚至消除

5、共極化方向的泄漏。假定要干擾一部垂直極化的雷達(dá)，必須產(chǎn)生一個強(qiáng)的水平極化干擾信號Pj，如圖1所示。如果產(chǎn)生的正交極化信號有2的誤差，則會產(chǎn)生一個垂直極化分量信號Vjv:Vjv=Vjhtan2=0．035Vjh相對應(yīng)的功率為:Pjv=1．210－3Pjh，所以，PjvPjh≈－29dB干擾信號的這種垂直極化分量Vjv將會幫助雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，對干擾起到反作用。雷達(dá)天線的極化純度一般優(yōu)于30dB，所以要求干擾信號與雷達(dá)信號的正交極化方向之差小于2［1］。這是實(shí)現(xiàn)交叉極化干擾的主要難點(diǎn)?？刂聘蓴_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(jī)載電子自衛(wèi)系統(tǒng)，因?yàn)殡S著飛

6、機(jī)的運(yùn)動，交叉極化干擾的極化形式必須實(shí)時地與接收到的雷達(dá)極化特性保持正交，無源控制極化的方法無法保證實(shí)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(shí)現(xiàn)。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(shí)時改變信號的極化方向。文獻(xiàn)1提出了的2種可實(shí)時產(chǎn)生交叉極化干擾信號的結(jié)構(gòu)。圖2是基于應(yīng)答式干擾的交叉極化干擾機(jī)框圖。圖2中采用一對正交極化天線接收雷達(dá)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(dá)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(diào)制，產(chǎn)生與雷達(dá)

7、信號正交極化的干擾信號。圖2的原理看似很簡單，但實(shí)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(shù)倍倍頻程的寬帶微波系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)于2的控制精度幾乎不可能的。圖3是基于轉(zhuǎn)發(fā)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(dá)信號，并分別在與自身正交的天線上轉(zhuǎn)發(fā)接收的信號，其產(chǎn)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(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生正交極化的必要條件是兩個通道在轉(zhuǎn)發(fā)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?yàn)樾胁ü軐儆诜蔷€性器件，難以保證幅度的一致性和相位的穩(wěn)定性。所以文獻(xiàn)［1］雖然提出了兩種解決方案，但VanBrunt認(rèn)為很難制造高純度

8、的極化，即便轉(zhuǎn)發(fā)式干擾也很難獲得需要的誘偏角度。但隨著大功率固態(tài)放大器的出現(xiàn)，其線性放大特性得以改善，轉(zhuǎn)發(fā)式交叉極化干擾具備了工程實(shí)現(xiàn)的可能，下面分析該方案的工程邊界。 3工程實(shí)現(xiàn)邊界條件分析 3．1對干擾天線的特性分析 在圖3的轉(zhuǎn)發(fā)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(shè)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(shè)垂直極化天線增益為:g2=g4=(gH，gV)(3)gv:天線垂直極化的增益、是天線的主極化分量，gH:天

9、線水平極化的增益、是天線的正交極化分量。t=(tH、tV)是雷達(dá)信號水平極化和垂直極化的信號幅度，因此雷達(dá)極化方向?yàn)?α=arctan(tvtH)(4)根據(jù)雙通道轉(zhuǎn)發(fā)、一路反相后，輸出的干擾信號為:通道1:(gHtH+gvtv)(gH，gv)通道2:(gHtH+gvtv)(－gH，－gv);合成信號:(gHgvtv－gHgvtv，gvgHtH－gvgHtH)=(gHgv－gHgv))(tv，－tH)則干擾信號極化方向:α=－arctan(tHtV)=π/2*α(5)除非(gHgv－gHgv)=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

10、要保證轉(zhuǎn)發(fā)通道的增益一致、相位差180，合成的干擾信號就必定與雷達(dá)信號正交。上面的推導(dǎo)表明:轉(zhuǎn)發(fā)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(rèn)為干擾天線的極化純度必須優(yōu)于雷達(dá)天線的極化純度的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，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(zhuǎn)發(fā)干擾中，要產(chǎn)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(shí)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(shè)該誤差體現(xiàn)在通道2上，則通道2的輸出信號為:－k(gHtH+gvtv

11、)(gH，gv);k=μejγ與通道一合成輸出的干擾信號為:(gHtH+gvtv)(gH，gv)－k(gHtH+gvtv)(gH，gv)展開后得:((gHgHtH+gvgHtv－kgHgHtH－kgvgHtv)，(gHgvtH+gvgvtv－kgvgHtH－kgvgvtv))干擾信號極化方向:((gHgv－kgvgH)tH+(gvgv－kgvgv)tv)/((gHgH－kgHgH)tH+(gvgH－kgvgH)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,gH，gH,gv，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″=arcta

12、n(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(shù)據(jù)我們得到如下結(jié)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(dá)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。

13、 4結(jié)束語 本文對自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)式交叉極化干擾的邊界條件進(jìn)行了深入分析。以目前的電子技術(shù)水平，采用雙通道轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交叉極化干擾是比較好的選擇，已不存在技術(shù)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(xiàn): ［1］萊羅艾．B．范布朗特．應(yīng)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(dá)天線的空域極化特性及其應(yīng)用［M］．北京:國防工業(yè)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(xué)院，1980． ［4］付孝龍．單脈沖主動雷達(dá)導(dǎo)引頭角度欺騙干擾技術(shù)［J］．飛航導(dǎo)彈，2014(1):72－76． ［5］曹星江．交叉極化對單脈沖雷達(dá)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.