交叉极化干扰工程边界条件研究范文

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《电子信息对抗技术杂志》2016年第4期

摘要:

深入讨论了交叉极化干扰的工程化问题，详细分析了自适应交叉极化信号产生的天线极化特性和幅相控制要求，阐述了该技术工程实现方面的边界条件，对该技术在实际装备的应用提供了指导意见。通过理论分析和相关计算表明:如果能将通道相位和幅度误差分别控制在*6°、*0．5dB，就能够满足交叉极化干扰的控制要求。

关键词:

交叉极化干扰;幅相精度;极化纯度

1引言

极化是电磁场中电场矢量在垂直于传播方向的平面上随时间变化的轨迹，是电磁波的基本特征之一。由于不同极化形式的电磁波传播特性不尽相同，雷达设计时要根据其用途选择合适的极化形式，以充分利用电磁波的能量。雷达选择的极化形式是雷达的重要参数，是雷达的主极化或匹配极化，其实还存在与其正交的极化能量，称为交叉极化。对单色TEM平面波而言，如果将雷达传播方向定为Z轴，其电场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)雷达常用的极化方式有水平极化(tV=0)、垂直极化(tH=0);左/右旋圆极化tH=tV、+φH－φV+=#/2等。由于工程原因，实际雷达辐射的信号是主极化与正交极化并存。除非是极化体制雷达，雷达要尽量保证主极化的能量，抑制正交极化的能量以提高雷达的工作效率。一般来讲，将天线主极化增益与正交极化增益比称为雷达的极化抑制比。交叉极化干扰是通过产生与雷达极化特性正交的干扰信号破坏雷达的测角系统，是对单脉冲雷达非常有效的干扰技术。文献［4］报道称美国出口阿联酋的F－16Block60战斗机具有交叉极化干扰能力，但由于保密原因，我们无法获取更多的技术细节。国内业界更多地认为该技术工程难度大，费效比高，不具备实际装备的条件。近期国外市场出现某型具备交叉极化干扰的装备，能对中制导和末制导产生角度干扰，这才引起国内雷达界和对抗界的重视。其实交叉极化干扰早在70年代初就被提出，文献［1］对其基本原理、应用方式、工程实现架构都做了介绍。本文结合国内的技术水平，深入分析在工程上实现交叉极化的边界条件。

2交叉极化干扰的工程难点

交叉极化干扰顾名思义是要产生与雷达信号正交的交叉极化信号，如果在雷达主极化方向有泄漏，该信号将被雷达匹配接收，干扰信号就会以信标方式被雷达所接收，无法实现角度干扰的目的［1］。要避免这种情况发生，干扰信号必须尽量保持与雷达主极化的正交性。减少甚至消除共极化方向的泄漏。假定要干扰一部垂直极化的雷达，必须产生一个强的水平极化干扰信号Pj，如图1所示。如果产生的正交极化信号有2°的误差，则会产生一个垂直极化分量信号Vjv:Vjv=Vjhtan2°=0．035Vjh相对应的功率为:Pjv=1．2×10－3Pjh，所以，PjvPjh≈－29dB干扰信号的这种垂直极化分量Vjv将会帮助雷达进行目标跟踪，对干扰起到反作用。雷达天线的极化纯度一般优于30dB，所以要求干扰信号与雷达信号的正交极化方向之差小于2°［1］。这是实现交叉极化干扰的主要难点。控制干扰信号极化的手段常有两种:一是在天线口面加装极化天线罩的无源手段，这显然不能用于机载电子自卫系统，因为随着飞机的运动，交叉极化干扰的极化形式必须实时地与接收到的雷达极化特性保持正交，无源控制极化的方法无法保证实时变极化的要求。二是通过给一对正交极化的天线馈入相干信号，控制两个信号的幅度和相位来实现。前面说过电磁波的极化是电场矢量的轨迹，可以看做水平矢量和垂直矢量的合成。通过控制电场的水平矢量和垂直矢量的幅度比以及相位差即可实时改变信号的极化方向。文献1提出了的2种可实时产生交叉极化干扰信号的结构。图2是基于应答式干扰的交叉极化干扰机框图。图2中采用一对正交极化天线接收雷达信号，极化敏感元件通过测量来自正交极化天线的信号分量获得雷达信号的极化特性，并在干扰时通过控制极化装置对噪声信号的调制，产生与雷达信号正交极化的干扰信号。图2的原理看似很简单，但实际上极化敏感元件和极化控制装置并不容易制作，特别是要在数倍倍频程的宽带微波系统上实现优于2°的控制精度几乎不可能的。图3是基于转发原理的交叉极化干扰框图。仍然采用一对正交极化天线接收雷达信号，并分别在与自身正交的天线上转发接收的信号，其产生正交极化干扰信号的原理可以用图4矢量图直观地表示。图4表明，利用双通道转发产生正交极化的必要条件是两个通道在转发过程中保持增益一致、相位差反相。过去，图3在工程化时也很难满足，因为行波管属于非线性器件，难以保证幅度的一致性和相位的稳定性。所以文献［1］虽然提出了两种解决方案，但VanBrunt认为很难制造高纯度的极化，即便转发式干扰也很难获得需要的诱偏角度。但随着大功率固态放大器的出现，其线性放大特性得以改善，转发式交叉极化干扰具备了工程实现的可能，下面分析该方案的工程边界。

3工程实现边界条件分析

3．1对干扰天线的特性分析

在图3的转发干扰方案中，采用了一对水平极化和一对垂直极化的天线。假设水平极化天线增益为:g1=g3=(gH，gV)(2)其中，gH为天线水平极化的增益、是天线的主极化分量，gV为天线垂直极化的增益，是天线的正交极化分量。假设垂直极化天线增益为:g2=g4=(g'H，g'V)(3)g'v:天线垂直极化的增益、是天线的主极化分量，g'H:天线水平极化的增益、是天线的正交极化分量。t=(tH、tV)是雷达信号水平极化和垂直极化的信号幅度，因此雷达极化方向为:α=arctan(tvtH)(4)根据双通道转发、一路反相后，输出的干扰信号为:通道1:(gHtH+gvtv)(g'H，g'v)通道2:(g'HtH+g'vtv)(－gH，－gv);合成信号:(g'Hgvtv－gHg'vtv，g'vgHtH－gvg'HtH)=(g'Hgv－gHg'v))(tv，－tH)则干扰信号极化方向:α'=－arctan(tHtV)=π/2*α(5)除非(g'Hgv－gHg'v)=0，一般情况下，无论所采用的水平、垂直极化的干扰天线极化纯度如何，也无论两组天线的极化特性是否一致，只要保证转发通道的增益一致、相位差180°，合成的干扰信号就必定与雷达信号正交。上面的推导表明:转发式交叉极化干扰对干扰天线的极化特性几乎没有什么限制，否定了过去认为干扰天线的极化纯度必须优于雷达天线的极化纯度的传统观点，后面我们看到，选用极化纯度高的天线，可以降低通道一致性的要求。

3．2幅相控制要求

图4表明，在转发干扰中，要产生与接收信号极化正交的干扰信号，必须保证两个通道的增益一致，相位反相。实际上，两个通道无法做到理想的增益一致和相位反相，通道间必然存在增益比μ%1、相位差γ%180°，假设该误差体现在通道2上，则通道2的输出信号为:－k(g'HtH+g'vtv)(gH，gv);k=μejγ与通道一合成输出的干扰信号为:(gHtH+gvtv)(g'H，g'v)－k(g'HtH+g'vtv)(gH，gv)展开后得:((gHg'HtH+gvg'Htv－kg'HgHtH－kg'vgHtv)，(gHg'vtH+gvg'vtv－kgvg'HtH－kgvg'vtv))干扰信号极化方向:((gHg'v－kgvg'H)tH+(gvgv'－kgvg'v)tv)/((gHg'H－kg'HgH)tH+(gvg'H－kg'vgH)tv)如果采用极化特性相同的天线通过正交放置作为干扰天线，则gv,g'H，gH,g'v，ξ=gv/gH，为干扰天线的极化纯度。上式分子分母同除以g2HtH，干扰信号极化方向:a″=arctan(1－kξ2)+(1－k)ξarctan(α)(1－k)ξ+(ξ2－k)arctan(α)(6)以(ξ、α)为参变量，可以计算满足:+α″－α'+＜2°的K(μ，γ)的取值范围，也就是交叉极化干扰的幅相控制要求，如图5。从图5的数据我们得到如下结论:

1)如果能将通道将相位和幅度误差分别控制在*6°、*0．5dB之间，就能够满足交叉极化干扰的控制要求。

2)选用的干扰天线的极化纯度越高，对通道的幅相控制要求越低。

3)雷达信号极化方向与其中任一干扰天线的夹角(取值范围0～45°)对幅相控制需求的影响为:该角度越小，幅相控制要求越低，45°时要求最高。

4结束语

本文对自适应转发式交叉极化干扰的边界条件进行了深入分析。以目前的电子技术水平，采用双通道转发结构实现交叉极化干扰是比较好的选择，已不存在技术瓶颈。在工程上，尽量选用极化纯度高的干扰天线可以降低通道幅相控制的难度。

参考文献:

［1］莱罗艾．B．范布朗特．应用电子对抗［M］．总参谋部第四部，等，译．北京:解放军出版社，1981．

［2］戴幻尧．雷达天线的空域极化特性及其应用［M］．北京:国防工业出版社，2015．

［3］林象平．电子对抗原理(下)［M］．西安:西北电讯工程学院，1980．

［4］付孝龙．单脉冲主动雷达导引头角度欺骗干扰技术［J］．飞航导弹，2014(1):72－76．

［5］曹星江．交叉极化对单脉冲雷达角度欺骗干扰仿真分析［J］．电子科技，2013(10):131－144．

［6］代大海，王雪松．交叉极化干扰建模及其欺骗效果分析［J］．航天电子对抗，2004(3):21—25.

作者:黎盛泉 廖羽宇 陈宁 单位:电子信息控制重点实验室