某型雷達(dá)偵察干擾系統(tǒng)等效輻射功率檢測及針對性修理分析

胡黎明，常立軍

（中國人民解放軍92236部隊，廣東 湛江 524016）

多波束發(fā)射陣通過空間功率合成技術(shù)實現(xiàn)高等效輻射功率的有源干擾以及實時多方位多目標(biāo)的快速干擾。某型雷達(dá)偵察干擾系統(tǒng)采用的多波束發(fā)射陣的基本原理如圖1所示，射頻信號經(jīng)激勵級驅(qū)動放大后，由波束開關(guān)陣進(jìn)行波束選擇，當(dāng)射頻信號從透鏡某一輸入端口（波束口）饋入時，該信號由透鏡分配至各輸出端口（陣元口），經(jīng)行波管放大，饋入對應(yīng)的大功率開關(guān)進(jìn)行方向選擇，再經(jīng)對應(yīng)的天線單元向外輻射。由于各個天線單元的輻射信號存在相關(guān)性，可在空間進(jìn)行功率合成，其波束指向由透鏡波束口和大功率開關(guān)輸出方向決定，從而形成確定方向的等效輻射功率。高壓電源和行波管是該多波束發(fā)射陣的關(guān)鍵部件，也是修理的難點(diǎn)。

圖1 多波束發(fā)射陣的原理

由于采用了空間功率合成技術(shù)，多波束發(fā)射陣的等效輻射功率可以表示為（不考慮合成效率）：

式中，PERP為發(fā)射陣的等效輻射功率；N為發(fā)射天線陣的總元數(shù)；P0為單個發(fā)射管的輸出功率；G0為每個天線元的增益。

由上式可知，多波束發(fā)射陣的等效輻射功率與陣元數(shù)的平方成正比，當(dāng)陣元數(shù)足夠大時，即可獲得極大的等效干擾輻射功率。

行波管是一種高增益、低噪聲的放大器，因其具有高功率、大帶寬、可多模工作的特點(diǎn)，在電子對抗裝備中廣泛使用。行波管通過電子束與沿慢波線所傳輸?shù)母哳l場之間相互作用從而放大微波信號。電子槍產(chǎn)生電子束，電子束在電極的作用下進(jìn)入慢波系統(tǒng)，并與之進(jìn)行能量交換，將電子的動能轉(zhuǎn)換成為高頻能量，行波管（TWT）結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 行波管（TWT）結(jié)構(gòu)

1 等效輻射功率的檢測方案

步驟1：搭建測試環(huán)境。如圖3所示，連接頻譜儀與接收天線，接收天線架設(shè)點(diǎn)與多波束發(fā)射陣距離應(yīng)符合遠(yuǎn)場要求，接收天線架設(shè)高度盡可能與多波束發(fā)射陣內(nèi)的天線單元高度接近，并保證接收天線主波束對準(zhǔn)多波束發(fā)射陣。

圖3 等效輻射功率的檢測方案

步驟2：確定接收天線的方位。使用差分GPS系統(tǒng)測量多波束發(fā)射陣和接收天線的位置，計算并確定接收天線相對多波束發(fā)射陣的方位。

步驟3：測量接收距離。根據(jù)步驟2所測得的多波束發(fā)射陣和接收天線的位置計算并確定兩者之間的距離。

步驟4：設(shè)備加電，發(fā)射系統(tǒng)置于工作狀態(tài)。

步驟5：在工作頻段內(nèi)選取頻率點(diǎn)，間隔500 MHz，包括邊界頻率點(diǎn)。

步驟6：實施干擾。采用指定參數(shù)方式，設(shè)置信號干擾頻率，干擾方位設(shè)置為步驟2所計算得到的方位，干擾樣式設(shè)置為瞄準(zhǔn)噪聲。

步驟7：觀察頻譜儀。設(shè)置頻譜儀的中心頻率為干擾頻率，工作寬度為5 GHz，軌跡為最大保持狀態(tài)，記錄頻譜儀上干擾頻點(diǎn)對應(yīng)的信號峰值功率。

步驟8：重復(fù)上述步驟，直至完成整個干擾頻段的測試。

步驟9：測試射頻電纜在干擾頻點(diǎn)的插入損耗。

步驟10：計算等效輻射功率（ERP）。計算公式如下。

（1）按下式計算等效輻射功率：

式中：PERP為等效輻射功率，dBm；Pi為頻譜儀接收功率，dBm；Li為空間衰減，dB；Gi為接收天線增益值，dB；L′i為接收測試電纜損耗，dB；Lg為極化損失，多波束發(fā)射陣采用45°斜極化，而接收喇叭天線采用垂直極化，計入極化損失3 dB；L為由于發(fā)射天線和接收天線未對準(zhǔn)引入的人為誤差，計入量視接收天線架設(shè)的具體情況而定。

（2）按下式計算自由空間衰減：

式中：Li為測試頻率點(diǎn)的空間衰減，dB；R為發(fā)射天線和接收天線的距離，m；fi為測試頻率，GHz。

2 針對等效輻射功率不符合技術(shù)要求的修理思路

雷達(dá)偵察干擾系統(tǒng)在對雷達(dá)實施干擾的過程中，為確保干擾有效，干擾信號功率與雷達(dá)回波功率的比值必須大于壓制系數(shù)Kj。若干擾功率不足，干擾效果將會減弱，可能由原來設(shè)計的三級干擾變?yōu)槎壐蓴_，甚至更差。等效輻射功率不符合技術(shù)要求應(yīng)引起足夠的重視，可按圖4所示的流程進(jìn)行維護(hù)修理。

圖4 等效輻射功率偏低的修理流程

步驟1：檢查測試系統(tǒng)。

（1）檢查波束是否對準(zhǔn)，接收天線是否水平或垂直放置。

（2）檢查接收電纜插損計入是否準(zhǔn)確。

步驟2：檢查行波管。

檢查所有行波管是否同時工作。設(shè)備在發(fā)射狀態(tài)下進(jìn)入自檢界面查看行波管的螺線電流，記錄下螺線電流為0的行波管號碼。設(shè)備斷電后，用手觸摸行波管收集極，感覺是否發(fā)熱。若無溫度，則該行波管的燈絲斷路，測量行波管高壓電纜頭A-C腳，正常為2.5Ω左右。

陣元失效會造成等效輻射功率降低，失效陣元數(shù)目越多，等效輻射功率降低越大。多波束發(fā)射陣中有幾十支行波管，即使有部分失效，對等效輻射功率的影響不是很大。例如，對32陣元的發(fā)射陣，單管輸出30 W，天線陣元增益6 dB的情況下，若有4支行波管失效，等效輻射功率僅下降1.2 dB左右。

在多波束發(fā)射陣的測試和使用中常出現(xiàn)行波管報警故障，為不影響測試和使用，可通過喚醒和屏蔽的辦法使多波束發(fā)射陣帶故障工作。

喚醒操作是對故障行波管提高其螺流保護(hù)門限，使得該行波管強(qiáng)行加電工作一段時間，以檢查其經(jīng)過喚醒操作后能否正常工作。喚醒操作應(yīng)盡量少用，一旦喚醒失敗，就不能再對該行波管進(jìn)行加電，而應(yīng)該屏蔽該行波管，否則容易引起行波管永久損壞。

屏蔽操作是切斷故障行波管的高壓供電，使得該行波管不影響高壓電源對其他正常行波管的高壓供電。當(dāng)出現(xiàn)加發(fā)射報故（故障指示燈亮）的情況時，應(yīng)及時檢測發(fā)射陣行波管狀態(tài)，關(guān)閉故障的行波管組，再執(zhí)行螺線復(fù)位以保證多波束發(fā)射陣的測試和使用正常進(jìn)行。

失效陣元的位置對波束寬度、第一副瓣電平和方向圖形狀有著明顯不同的影響。失效陣元位于邊緣，主瓣變寬，對副瓣電平和方向圖形狀的影響較小，如圖5所示；失效陣元位于中間，主瓣變窄，副瓣電平提高，且副瓣一高一低交替出現(xiàn)，如圖6所示。如果中間陣元失效，用邊緣的正常陣元將其更換會改善輻射性能。

圖5 多波束發(fā)射陣左邊失效4個陣元的實測

圖6 多波束發(fā)射陣中間失效4個陣元的實測

失效陣元的個數(shù)和位置對波束指向無影響，但失效陣元過多會造成波束分裂現(xiàn)象，指定方位獲得的等效輻射功率急劇降低。

步驟3：檢查大功率SPDT開關(guān)。

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試大功率SPDT開關(guān)及其后連接的穩(wěn)相電纜、天線單元的駐波比。駐波比不符合技術(shù)要求會導(dǎo)致等效輻射功率降低，嚴(yán)重的會燒毀大功率SPDT開關(guān)及穩(wěn)相電纜，通過逐級檢測駐波比的方法可以很快確定故障點(diǎn)。

打開多波束發(fā)射陣上蓋板，按照圖7連接測試電纜和儀器。將圖7中S11處斷開，天饋線測試儀端口接0.5 m長射頻電纜。

天饋線測試儀設(shè)置VSWR、S11和單通道測試等參數(shù)，并設(shè)置工作頻率范圍，按照儀器提示先后接入開路器、短路器和負(fù)載，完成校準(zhǔn)。

將天饋線測試儀接入測試系統(tǒng)，采用指定參數(shù)干擾，設(shè)置干擾頻率為干擾頻段內(nèi)的任意頻率值，指定任一象限的方位進(jìn)行干擾，觀察駐波比曲線并記錄。

操作顯控臺，轉(zhuǎn)換QC信號，測試大功率開關(guān)的另一個射頻支路，觀察駐波比曲線。

駐波比測試對天饋線測試儀端口上的電纜要求較高，若發(fā)現(xiàn)駐波比測試值較大，需要先檢查電纜和接頭是否松動，方法是保持電纜和接頭的位置不動，在圖7中S11處接入50Ω負(fù)載，若VSWR為1，則測試系統(tǒng)沒有問題。

圖7 大功率SPDT開關(guān)檢測框圖

步驟4：檢查激勵級。

采用分級測試的方法檢查激勵級內(nèi)器件工作狀態(tài)。

步驟5：檢查開關(guān)陣內(nèi)的單刀多擲開關(guān)。

檢查駐波比、插損和隔離度等。

步驟6：檢查透鏡。

檢測透鏡損耗，允許10%頻率點(diǎn)超差。

3 結(jié)束語

多波束發(fā)射陣波束的形成及指向由透鏡確定，可工作在很寬的頻率范圍；末級功率放大采用中功率寬帶行波管，工作電壓比較低，可以有效防止高壓打火、擊穿等現(xiàn)象；多波束發(fā)射陣既可以分時形成多個波束，也可以同時形成多波束，每個波束具有整個天線陣的增益。這些優(yōu)點(diǎn)使得多波束發(fā)射陣在電子對抗領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。

從可靠性設(shè)計理論的觀點(diǎn)看，多波束發(fā)射陣等效于一個并聯(lián)冗余系統(tǒng)，個別甚至幾個陣元失效造成的等效輻射功率降低不多，但是其輻射方向圖會發(fā)生畸變。各個陣元的幅相誤差會影響等效輻射功率的幅度，增加陣元總數(shù)可以有效放寬誤差范圍，但是會增加成本，需要設(shè)計人員進(jìn)行折中權(quán)衡。