羅景青 孫 兵 朱偉強

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收發(fā)同時對電磁頻譜控制區(qū)域的影響研究

羅景青*①孫 兵①朱偉強②

①(電子工程學院 合肥 230037)②(中國航天科工集團8511研究所 南京 210007)

在電子系統(tǒng)中，有時需要在同一平臺上實現(xiàn)同時進行信號的接收和發(fā)射。這時，通常會采用一定的收發(fā)隔離措施和信號相消處理技術。相對于收發(fā)非同時而言，收發(fā)同時會對電磁頻譜控制區(qū)域產生較大的影響。該文以同時接收雷達信號又干擾該雷達的情況為例，研究了收發(fā)同時對電磁頻譜控制區(qū)域的影響，提出了綜合天線收發(fā)隔離與后續(xù)數(shù)字相消處理的總體隔離度概念，分析了影響總體隔離度的因素，建立了數(shù)學模型，推導了相關公式，仿真分析了總體隔離度對偵察作用區(qū)、干擾暴露區(qū)以及電磁頻譜控制區(qū)的影響。

電磁頻譜控制區(qū)；收發(fā)同時；隔離度

1 引言

隨著電子對抗與雷達在相互對抗中不斷發(fā)展，對電子對抗系統(tǒng)的要求不斷提高[1]。為了提高電子干擾機生存能力及作戰(zhàn)性能，在很多情況下，干擾機需連續(xù)偵察周圍的雷達設備，并能夠不間斷地發(fā)射對敵方雷達的干擾信號。因此，干擾機需要同時進行偵察接收與干擾發(fā)射，也就是收發(fā)同時工作。我們把可以同時偵察和干擾敵電磁系統(tǒng)的區(qū)域稱為電磁頻譜控制區(qū)。當系統(tǒng)工作在收發(fā)同時模式時，一般采用一定的收發(fā)隔離措施。然而，收發(fā)隔離是有限的，偵察接收機不只是接收到雷達信號，干擾信號也會耦合進入偵察接收機。因此，干擾信號的強度與接收信號強度之間有一約束關系，根據這一關系，結合收發(fā)隔離因素的影響，電磁頻譜控制區(qū)域將會發(fā)生變化。

收發(fā)隔離是收發(fā)同時的關鍵技術，它是為了保證干擾發(fā)射信號耦合到接收機后不影響接收機的正常工作。常見的收發(fā)同時采用的隔離技術分為兩類。一類是天線間收發(fā)隔離技術[14]，主要包括空間隔離，旁瓣隔離，極化隔離等；一類是利用數(shù)字對消技術，改善接收機輸出端信噪比，提高收發(fā)隔離度。對于收發(fā)同時的隔離問題已有較為廣泛研究，但是收發(fā)同時對于電磁頻譜控制區(qū)域的影響卻沒有進行深入分析。

收發(fā)隔離技術直接影響耦合進入接收機的干擾信號功率大小，從而影響偵察距離；為了確保偵察機具有良好的偵察性能，在收發(fā)同時模式和隔離度有限的情況下，干擾信號發(fā)射功率受到約束，有效干擾壓制區(qū)域也受到影響。本文先介紹收發(fā)同時工作常用的收發(fā)隔離措施，然后對收發(fā)隔離度對偵察作用距離、干擾作用距離以及電磁頻譜控制區(qū)的影響展開研究。

2 收發(fā)同時可采取的隔離技術及總體隔離度

2.1收發(fā)天線間的收發(fā)隔離技術

當收發(fā)天線被安裝在固定位置后，接收機收到的干擾信號功率為

干擾發(fā)射功率通過種種途徑到達接收機輸入端的衰減量一般稱為收發(fā)天線間隔離度。

將式(1)代入，收發(fā)天線隔離度還可以寫成

例如，當收發(fā)天線等效相位中心間距為8 m，在7.5 GHz頻率上，得到=68 dB，加上其他的技術措施可得到10 dB，這對于近距離小功率干擾機而言，一般可以滿足收發(fā)隔離需求。

2.2自適應數(shù)字對消技術

一般的自適應回波抵消的原理框圖如圖1所示。主通道的輸入信號為

圖1 自適應數(shù)字相消原理框圖

2.3 總體隔離度

無耦合干擾信號時，接收機輸入端的信噪比為

當收發(fā)同時工作時，接收機輸入端不止存在熱噪聲功率，而且存在通過干擾天線耦合進入偵察接收機的干擾信號功率，把采用天線間收發(fā)隔離技術后的耦合干擾信號視為噪聲信號，因此，接收機輸入端總的噪聲功率為

這時，接收機輸入端的信噪比為

一般情況下，耦合干擾功率遠大于熱噪聲功率：

則式(10)改寫為

將式(2)代入式(12)，于是有

式中，

為采用兩類隔離措施后，等效進入偵察接收機輸入端的干擾信號功率。而

為采用天線間隔離措施和數(shù)字相消措施后等效的總體隔離度，簡稱隔離度。

3 隔離度對偵察作用距離的影響

偵察作用距離是指偵察接收機能偵察到雷達輻射源輻射信號的最遠距離，是衡量雷達偵察系統(tǒng)的偵測雷達信號能力的一個重要技術指標。當收發(fā)同時條件，干擾發(fā)射天線和偵察接收天線之間存在耦合，進入偵察接收機的信號使接收機靈敏度降低，使偵察作用距離降低。本節(jié)就隔離度對偵察距離的影響進行分析。

不考慮收發(fā)同時的最大偵察作用距離：

將式(6)代入式(17)得最大偵察作用距離為

考慮直視距離后，雷達對抗偵察機的偵察作用距離為

(1)提高總體隔離度可以增加最大偵察距離。當總體隔離度較低時，需要信號很強才能到使信噪比達到偵察靈敏度，所以最大偵察距離受到影響。提高總體隔離度可以減小等效進入接收機輸入端的干擾信號功率，從而增加最大偵察作用距離，但是由于可視距離限制，當最大偵察距離增加到時，最大偵察距離不再隨隔離度的提高而增加。

(2)干擾發(fā)射功率對偵察作用距離有限制作用。當總體隔離度一定時，干擾發(fā)射功率越小，偵察作用距離越大。因為干擾發(fā)射功率越小，等效進入接收機輸入端的干擾信號功率越小，偵察作用距離越大。

4 隔離度對最小干擾距離的影響

干擾方程是設計干擾機時進行初始計算以及選取整機參數(shù)的基礎，同時也是使用干擾機時計算和確定干擾機有效干擾空間(即干擾機威力范圍)的依據。由于干擾機的基本任務就是壓制雷達，保衛(wèi)目標，所以，干擾方程必然涉及到干擾機、目標和雷達3個因素，干擾方程就是反映干擾機、雷達和目標三者之能量關系的方程。本節(jié)就總體隔離度對最小干擾距離的影響進行分析。

干擾方程的一般形式：

圖2 總體隔離度對偵察距離影響????????圖3 主、副瓣偵察隔離度對偵察作用距離影響

本節(jié)以自衛(wèi)式干擾為例，分析隔離度對干擾區(qū)域的影響。當干擾機配置在被保衛(wèi)目標上時，,，此時，

可令，

(1)總體隔離度不夠會使最小干擾距離增大。在一定范圍內，總體隔離度越高，最小干擾距離越小，但是隔離度超出一定范圍后，最小干擾距離不再隨隔離度的增加而減小。這是因為允許的最大耦合功率一定情況下，總體隔離度提高，允許發(fā)射的最大干擾功率增大，最小干擾距離減小，但超過一定范圍時，由于干擾機存在最大額定工作功率，所以最小干擾距離不會小于。

圖4 隔離度對最小干擾距離影響

5 收發(fā)同時對電磁頻譜控制區(qū)域的影響

對目標進行干擾時，有些情況下需要偵察和干擾同時進行，偵察引導干擾，此時作用區(qū)域是偵察作用區(qū)域和干擾壓制區(qū)域重疊的區(qū)域，即電磁頻譜控制區(qū)。本節(jié)以這個區(qū)域的面積作為衡量性能的標準。正常情況下，偵察作用區(qū)域邊界要遠大于有效干擾壓制區(qū)邊界，但由于收發(fā)同時，會有干擾信號耦合進入接收機，使接收機靈敏度下降，偵察作用距離減小，當隔離度很差時，甚至可能使偵察作用區(qū)域半徑小于有效壓制區(qū)域邊界半徑，無法利用偵察信息引導干擾。

以2維為例，圖5為電磁頻譜控制區(qū)示意圖。電磁頻譜控制區(qū)域面積可按式(28)計算：

圖６為不同隔離度情況下，電磁頻譜控制區(qū)域面積與干擾發(fā)射功率的關系圖。由圖6可以得出結論：總體隔離度一定時，為了獲得最大的電磁頻譜控制區(qū)域面積，存在最佳干擾發(fā)射功率。由圖看出，總體隔離度一定時，電磁頻譜控制區(qū)域面積隨著干擾發(fā)射功率的增加，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。因為當干擾發(fā)射功率在一段較小的范圍內時，增加，雖然使進入接收機的增加，但此時最大偵察作用距離始終大于可視距離，因此偵察區(qū)域面積不會變化，而的增加使干擾壓制區(qū)域增加，所以電磁頻譜控制區(qū)域面積增加。當干擾發(fā)射功率超過這一范圍時，雖然的增加使有效壓制區(qū)域面積增加，但此時偵察作用距離小于可視距離，的增加使進入接收機的增加，偵察作用區(qū)域減小，相比于干擾區(qū)域面積增加量來說，偵察作用區(qū)域面積減小更加嚴重，所以重疊的電磁頻譜控制區(qū)域面積減小。

圖7為不同干擾發(fā)射功率情況下，電磁頻譜控制區(qū)域面積與隔離度的關系圖。由圖7可以得出結論：總體隔離度越高，電磁頻譜控制區(qū)域面積越大。干擾發(fā)射功率一定時，最小干擾壓制距離一定，有效干擾壓制區(qū)域不變，總體隔離度增加，使等效進入接收機輸入端的干擾信號功率減小，偵察作用距離增加，偵察區(qū)域面積變大，因此，電磁頻譜控制區(qū)域面積增加，但當超過這一范圍時，偵察作用距離受到可視距離限制不再增加，此時電磁頻譜控制區(qū)域面積不再增加。

圖5 電磁頻譜控制區(qū)示意圖???圖6 干擾發(fā)射功率對電磁頻譜控制區(qū)域影響???圖7 總體隔離度對電磁頻譜控制區(qū)域影響

6 結束語

針對收發(fā)同時對電磁頻譜控制區(qū)的影響，本文首先分析了收發(fā)同時可以采用的隔離措施，提出總體隔離度概念，建立了數(shù)學模型，推導了相關公式，然后分析了總體隔離度對偵察作用距離、最小干擾壓制距離的影響，最后分析了干擾發(fā)射功率和總體隔離度對電磁頻譜控制區(qū)域的影響。仿真實驗表明，在一定范圍內，提高收發(fā)隔離度有利于增大偵察作用區(qū)、干擾壓制區(qū)以及電磁頻譜控制區(qū)，超過這一范圍，隔離度的提高沒有意義。另外，隔離度一定的條件下，存在最佳的干擾發(fā)射功率使得電磁頻譜控制區(qū)面積最大。

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Research on the Influences of Simultaneous Transmission and Reception on Electronic Warfare Area

LUO Jingqing①SUN Bing①ZHU Weiqiang②

①(,230037,)②(. 8511,210007,)

In the electronic system, it occasionally needs to accomplish the transmission and reception of signal in the same platform, at this time, certain transceiver isolation and signal cancellation processing technology are usually adopted. Relative to non-simultaneous transmission and reception, simultaneous transmission and reception makes more influence on electronic warfare area. This paper takes the situation of receiving the radar signal and interfering in itself for example, makes the research of the effect of simultaneous transmission and reception on electronic warfare area. The conception of total isolation of comprehensive transceiver antenna and follow-up digital cancellation is proposed in the paper, and the factors that affect the total isolation are analyzed, then the mathematical model is set up, and the correlative formulas are deduced. In the end, the influence of total isolation on the reconnaissance function area, jamming exposure area and comprehensive electronic warfare area are analyzed by simulation.

Comprehensive electronic warfare area; Simultaneous transmission and reception; Isolation

TN97

A

1009-5896(2016)11-2739-06

10.11999/JEIT160051

2016-01-13；改回日期：2016-06-08；

2016-09-01

羅景青 m13721052122_1@163.com

羅景青： 男，1957年生，教授，博士生導師，研究方向為雷達與雷達對抗技術、空間信息處理、陣列信號處理、電子對抗信息處理.

孫 兵： 男，1991年生，碩士生，研究方向為雷達及雷達對抗理論與技術.

朱偉強： 男，1964年生，研究員，博士生導師，主要研究方向為空間信息處理、信號與信息處理.