姬憲法

（空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000）

0 引言

機(jī)載火控雷達(dá)的主要作用是測(cè)定目標(biāo)的空間位置，提供給火控系統(tǒng)，通過(guò)制導(dǎo)武器對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊。相控陣機(jī)載火控雷達(dá)是采用相控陣天線的機(jī)載火控雷達(dá)。它是一種電子掃描雷達(dá)，由計(jì)算機(jī)控制，用電子的方法實(shí)現(xiàn)天線波束指向在空間的轉(zhuǎn)動(dòng)或掃描的電掃雷達(dá)系統(tǒng)，克服了機(jī)械掃描雷達(dá)慣性延遲的不足，波束靈活，能迅速而精確地控制和變換波束形狀、數(shù)目和掃描圖形，使得機(jī)載相控陣火控雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)多目標(biāo)跟蹤和攻擊、同時(shí)多功能和低截獲概率能力，并降低了的自身的雷達(dá)截面積，可提高飛機(jī)的作戰(zhàn)能力和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

1 相控陣天線原理

相控陣天線有多種形式，如線陣、平面陣、圓陣、圓柱形陣列、球形陣和共形陣等，但都是從陣列天線發(fā)展起來(lái)的。陣列天線通常由多個(gè)偶極子天線單元組成，偶極子天線具有近似的無(wú)方向性天線方向圖，天線增益很低，在自由空間內(nèi)增益只有6dB 左右，為了獲得較高的增益，將多個(gè)偶極子天線單元按一定的規(guī)則排列在一起，形成一個(gè)大的陣列天線。下面我們以圖1 所示陣列天線說(shuō)明相控陣天線的相位掃描原理。

圖1 相位掃描的基本原理框圖

圖1 所示是N 個(gè)帶有移相器的相同單元的線性陣列天線，相鄰單元間隔為d。與直線陣相垂直的方向?yàn)樘炀€陣的法線方向，稱為 “基本軸”。設(shè)各單元移相器輸入端均為等幅同相饋電，且饋電相位為零。各個(gè)移相器能夠?qū)︷伻胄盘?hào)產(chǎn)生0～2π 的相移量，按單元序號(hào)的增加其相移量依次為Ф1、Ф2、Ф3、…、ФN-1、ФN。

（1）當(dāng)目標(biāo)處于天線陣法線方向時(shí)，要求天線波束指向目標(biāo)，即波束峰值對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，如圖1（a）所示。

由陣列天線的原理可知，只要各單元輻射同相位的電磁波，則波束指向天線陣的法線方向。根據(jù)陣列天線這一結(jié)論，若對(duì)相控陣天線中各個(gè)移相器輸人端同相饋電，那么，各個(gè)移相器必須對(duì)饋人射頻信號(hào)相移相同數(shù)值 （或均不移相），才能保證各單元同相輻射電磁波，從而使天線波束指向天線陣的法線方向。換句話說(shuō)，各個(gè)移相器的相移量，應(yīng)當(dāng)使相鄰單元間的相位差均為零，天線波束峰值才能對(duì)準(zhǔn)天線陣的法線方向。

（2）在目標(biāo)位于偏離法線方向一個(gè)角度θ0時(shí)，若仍要求天線波束指向目標(biāo)，則波束掃描角(波束指向與法線方向間的夾角) 也應(yīng)為θ0，如圖1（b）所示。

倘若波束指向與電磁波等相位面垂直，即波束掃描一個(gè)θ0角度，則電磁波等相位面也將隨之傾斜、見(jiàn)圖中M′M 方向，它與線陣的夾角也為θ0。這時(shí)，各單元就不應(yīng)該是同相輻射電磁波，而需要通過(guò)各自的移相器，對(duì)饋入射頻信號(hào)的相位進(jìn)行必要調(diào)整。

首先討論單元1 與單元2 的移相器對(duì)饋入射頻信號(hào)的相移情況。假設(shè)單元1 與單元2 的移相器分別對(duì)饋入的射頻信號(hào)相移了Ф1和Ф2，那么單元1 輻射的電磁波到達(dá)等相位M′點(diǎn)的相位為Ф1，而單元2 輻射的電磁波由于在空間多行程一段距離AB，故到達(dá)等相位面時(shí)的相位為：

根據(jù)等相位條件，在等相位面上則有：

設(shè)兩單元的相位差為Ф，上式可寫(xiě)成：

即兩單元的相位差Ф，補(bǔ)償了兩單元波程差引起的相位差，使得兩單元輻射的電磁波在θ0方向能夠同相相加，得到最大值，即波束指向了θ0方向。同樣的分析可以得出單元2 與單元3 之間的相位差也為Ф：

依此類推，任意兩單元的相位差都相同。這就是說(shuō)，通過(guò)移相器的調(diào)整，使得各單元輻射電磁波的相位按其序號(hào)依次導(dǎo)前一個(gè)Ф，分別為Фb、Ф2=Ф1+Ф、Ф3=Ф1+2Ф、…、ФN=Ф1+﹙N-1﹚Ф，使電磁波的等相位面向左傾斜，波束方向偏離天線陣法線方向向左一個(gè)θ0角度。

同理，通過(guò)移相器的調(diào)整，若各單元輻射電磁波的相位按其序號(hào)的增加依次滯后一個(gè)Ф，分別為Ф1、Ф2=Ф1-Ф、Ф3=Ф1-2Ф、…、ФN=Ф1-﹙N-1﹚Ф，則電磁波的等相位面向右傾斜，波束指向偏離天線陣的法線方向向右一個(gè)θ0角。由前面的公式可得出θ0與Ф 的定量關(guān)系為：

此式表明，在雷達(dá)工作波長(zhǎng)與單元之間的間距d 一定的情況下，波束指向角θ0隨Ф 而變化。只要控制移相器使各單元間產(chǎn)生相同的相移增量，并且其大小和正負(fù)又是可變的，則波束就可以在范圍內(nèi)掃描。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，控制移相器對(duì)饋入射頻信號(hào)產(chǎn)生的相移，即可改變電磁波等相位面的位置，從而改變天線波束的指向，達(dá)到掃描的目的。這就是相控陣天線實(shí)現(xiàn)電掃描的基本原理。

2 相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)特征

2.1 天線波束快速掃描能力

天線波束快速掃描能力是相控陣?yán)走_(dá)主要技術(shù)特點(diǎn)。這一特點(diǎn)來(lái)自于陣列天線中各天線單元通道內(nèi)信號(hào)傳輸相位的快速變化能力。正是由于相控陣天線的波束快速掃描的技術(shù)特點(diǎn)使得相控陣火控雷達(dá)具有高搜索數(shù)據(jù)率、高跟蹤數(shù)據(jù)率、多目標(biāo)搜索與跟蹤、實(shí)現(xiàn)多種雷達(dá)的功能。

2.2 天線波束形狀捷變能力

天線波束形狀捷變能力是指相控陣天線波束形狀的快速變化能力。天線波束形狀捷變能力使相控陣天線可快速實(shí)現(xiàn)波束賦形和實(shí)現(xiàn)空時(shí)二維自適應(yīng)處理（STAP）。

空時(shí)二維自適應(yīng)處理（STAP）是相控陣?yán)走_(dá)在空域與頻域同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)雜波干擾進(jìn)行抑制的方法，用于機(jī)載相控陣火控雷達(dá)抑制地面雜波。機(jī)載雷達(dá)在強(qiáng)地物背景中檢測(cè)目標(biāo)，采用距離門(mén)多普勒濾波方法，對(duì)每一個(gè)要檢測(cè)的距離單元，即可能存在目標(biāo)的距離單元，通過(guò)多普勒濾波器組對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行頻譜分析，從速度上分辨目標(biāo)與雜波，而在不同角度上與不同距離上地物的雜波頻譜是不同的，與雷達(dá)載機(jī)飛行速度及姿態(tài)有關(guān)，而且地物雜波信號(hào)是由與被檢測(cè)單元同樣距離的所有天線主瓣與副瓣照射的地物信號(hào)疊加而成，主瓣雜波對(duì)目標(biāo)回波的信號(hào)的遮蔽最大。要檢測(cè)雷達(dá)主瓣照射區(qū)內(nèi)某一距離單元內(nèi)是否存在目標(biāo)，首先在每一天線單元或子天線級(jí)別上，對(duì)該單元的接收信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，即頻域?yàn)V波，然后對(duì)每一個(gè)濾波器的輸出在進(jìn)行自適應(yīng)空域?yàn)V波，即實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)能力方向圖形成，在該濾波器最大值對(duì)應(yīng)的角度上形成接收方向圖凹口。就是對(duì)回波信號(hào)的每一個(gè)多普勒頻率分量，分別形成各自的天線方向圖，方向圖的最大值均指向預(yù)定要檢測(cè)或跟蹤目標(biāo)的方向，而這些方向圖凹口則分別對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生該多普勒頻率的強(qiáng)地物所在方向。

2.3 空間功率合成能力

空間功率合成能力使相控陣機(jī)載火控雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了發(fā)射電磁波能量的低峰值功率、高脈沖能量和高平均功率，提高其探測(cè)性能。

陣列天線的每一個(gè)單元通道或每一個(gè)子天線陣上設(shè)置一個(gè)發(fā)射信號(hào)功率放大器，依靠移相器的變化，使發(fā)射天線波束定向發(fā)射，既將各單元通道或各子陣通道中的發(fā)射信號(hào)聚焦于某一空間方向。

2.4 多波束形成能力

相控陣?yán)走_(dá)通過(guò)波束轉(zhuǎn)換控制信號(hào)可以方便地在一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)形成多個(gè)指向不同的發(fā)射波束和接收波束。用同一個(gè)孔徑可以同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)獨(dú)立的波束，即將一部分面陣對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)波束，另一部分面陣對(duì)應(yīng)產(chǎn)生另一個(gè)波束，各個(gè)波束又可以具有不同的輻射功率、波束寬度、目標(biāo)駐留時(shí)間、重復(fù)頻率和重復(fù)照射次數(shù)等。各個(gè)波束可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制和分別控制，用于對(duì)目標(biāo)的一般搜索、重點(diǎn)搜索和跟蹤。

2.5 強(qiáng)抗干擾能力

相控陣?yán)走_(dá)天線波束的快速掃描、天線波束形狀捷變、自適應(yīng)空間濾波、自適應(yīng)空時(shí)處理能力以及多種信號(hào)波形的工作方式，使得相控陣?yán)走_(dá)在體制上具有強(qiáng)的抗干擾潛在性能。在相控陣?yán)走_(dá)中又采用了單脈沖測(cè)角技術(shù)、脈沖壓縮技術(shù)、頻率分集技術(shù)、頻率捷變和自適應(yīng)旁瓣抑制技術(shù)，進(jìn)一步提高了其抗干擾性能。

相控陣機(jī)載火控雷達(dá)具有高增益和低副瓣的天線陣列，副瓣電平可達(dá)-50~-40dB，由于副瓣電平低，可以使雷達(dá)少受相鄰頻段雷達(dá)的互擾，使掩護(hù)式干擾機(jī)的等效干擾功率增大，給干擾機(jī)制造增加困難，提高了雷達(dá)的抗干擾能力；主瓣波束很窄、掃描方式迅速靈活，使偵察接收機(jī)可接收的脈沖數(shù)少而難以實(shí)現(xiàn)跟蹤，低副瓣技術(shù)的采用，又要求偵察接收機(jī)靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，信號(hào)測(cè)定瞬時(shí)迅速，使得偵察工作難以進(jìn)行；波束調(diào)零技術(shù)的采用，使其易于對(duì)抗針對(duì)雷達(dá)天線副瓣的干擾。

3 對(duì)相控陣機(jī)載火控雷達(dá)的干擾研究

對(duì)相控陣機(jī)載雷達(dá)的干擾要從雷達(dá)原理、電子對(duì)抗原理等方面入手，從原理角度分析相控陣機(jī)載火控雷達(dá)自身固有的弱點(diǎn)，才能找到對(duì)應(yīng)的干擾辦法。從原理上講，機(jī)載相控陣火控雷達(dá)有如下弱點(diǎn)： 一是對(duì)所有的電子信號(hào)，只要在雷達(dá)設(shè)備的通帶內(nèi)的信號(hào)，它不分?jǐn)澄遥寄芙邮?；二是不論雷達(dá)采用什么樣的信號(hào)處理方式，只要干信比達(dá)到一定值時(shí)，它就不能干擾和有用信號(hào)的混合體中，提取有用信號(hào)；再一方面雖然相控陣?yán)走_(dá)天線副瓣低，而且還可以采取副瓣調(diào)零等措施，但是它的天線副瓣仍然不可能為零，副瓣電平是客觀存在的，副瓣干擾有機(jī)可乘。

相控陣機(jī)載火控雷達(dá)實(shí)質(zhì)也是一部雷達(dá)設(shè)備，也要遵循雷達(dá)的基本工作原理，也具有上述弱點(diǎn)，因此只要是在雷達(dá)接收通道通帶內(nèi)的無(wú)線電信號(hào)，都能進(jìn)入到雷達(dá)，無(wú)法回避；其次提高進(jìn)入接收通道的電信號(hào) （包含有用信號(hào)和干擾信號(hào)）干擾信號(hào)能量，只要干信比達(dá)到一定值時(shí)，雷達(dá)就不能從干擾和有用信號(hào)的混合體中提取有用信號(hào)，直接影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。根據(jù)上述分析，可采用以下方法實(shí)施電子干擾。

（1）由于天線副瓣的存在，因此通過(guò)增大干擾機(jī)功率，可進(jìn)行副瓣干擾；或者直接對(duì)雷達(dá)實(shí)行寬帶噪聲干擾。強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)入雷達(dá)的接收通道可降低雷達(dá)接收信號(hào)的的信噪比，直至接收機(jī)達(dá)到飽和狀態(tài)，破換雷達(dá)接收機(jī)的正常工作。

（2）從戰(zhàn)術(shù)層面采用多機(jī)干擾，協(xié)同工作。相控陣?yán)走_(dá)具有自適應(yīng)空間濾波能力，能自適應(yīng)地在干擾方向形成天線方向圖零點(diǎn)，因此，單部干擾機(jī)無(wú)法對(duì)其形成有效的干擾。但是從原理角度分析自適應(yīng)空間濾波需要自適應(yīng)地計(jì)算空間矢量，而計(jì)算空間矢量需要空間取樣，也要消耗計(jì)算時(shí)間，即自適應(yīng)時(shí)間。采用兩部或兩部機(jī)載干擾設(shè)備協(xié)同使用，分時(shí)輪流工作，即可破壞雷達(dá)自適應(yīng)空間濾波的精確性和穩(wěn)定性，從而達(dá)到有效干擾的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)載火控雷達(dá)的干擾與抗干擾是矛和盾的關(guān)系，二者在對(duì)抗過(guò)程中不斷的發(fā)展、提高。相控陣機(jī)載火控雷達(dá)技術(shù)先進(jìn)，優(yōu)勢(shì)明顯，但是并非無(wú)懈可擊，只要找準(zhǔn)其弱項(xiàng)與不足，干擾方法得當(dāng)，總能見(jiàn)效。

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