一种低截获概率靶载射频辐射源设计∗

2019-03-01

舰船电子工程 2019年2期

（91851部队葫芦岛 125001）

1 引言

随着技术的进步，国外先进反舰导弹已普遍应用具有低截获概率能力的相参雷达导引头［1～4］。考核舰空导弹武器系统对抗相参体制导引头的能力，是未来航母舰艇编队反舰导弹防御作战的迫切需求。传统的靶载射频辐射源主要由退役雷达导引头改装，发射功率过大，波形单一，波束较宽，其电磁辐射特性与主流反舰导弹差异明显，不具备低截获概率特征，难以完成舰艇编队与低截获概率导引头之间的对抗性试验。

本文对低截获概率雷达导引头特征进行了分析，提出了一种低截获概率空靶射频辐射源的设计和实现方法，能较为逼真地模拟新型反舰导弹低截获概率雷达导引头的电磁辐射特性，有效提升电磁环境构设能力。

2 低截获概率相参雷达雷达导引头特征分析

低截获概率（LPI）雷达定义为“雷达探测到敌方目标的同时，敌方截获到雷达信号的可能性概率最小”，即“看见但不被见”［5～7］。低截获概率雷达普遍采用功率管理、宽带及低副瓣、复杂波形、相参积累、一体化探测等技术，广泛应用于国外反舰导弹导引头中。根据器件水平及武器展会上透漏的技术参数，分析美国“鱼叉”Block 1型反舰导弹导引头基本性能如表1所示。

3 低截获概率靶载射频辐射源设计

3.1 系统组成及工作原理

低截获概率靶载射频辐射源主要由天线及伺服机构、发射机、频率综合器、数字控制组合、电源组合六部分组成。频率综合器为系统提供全相参的射频发射信号，由发射机进行调制与放大，经天线将射频能量聚集成窄波束并向被试目标辐射。数字控制组合是系统的控制核心，具有两大主要功能，一是负责射频信号的功率管理、波形控制及编码设置；二是根据载体与辐射目标的相对位置关系，解算天线轴线与目标的程序指向角，控制伺服机构带动天线对动目标进行跟踪。低截获概率靶载射频辐射源系统组成如图1所示。

3.2 天线及伺服组合设计

3.2.1 天线设计

天线负责将输入的高功率射频能量聚集成窄波束向预定目标辐射。由于辐射源体制只发不收的特点，天线设计为单一和通道天线。采用平板缝阵天线形式，它由天线阵面和馈电网络两层构成［8～10］。

表1 美国“鱼叉”Block 1型反舰导弹导引头基本性能分析

图1 低截获概率靶载射频辐射源系统组成框图

1）天线口径的计算

按天线波束宽度计算公式：

其中λ为波长；θ为天线波束宽度；K是常数，其数值与天线主波束的能量集中度有关，对于平板缝阵天线，按副瓣电平-20dB，K取1.2，由波长λ和波束宽度θ可确定天线口面D。

2）天线增益的计算

按天线增益计算公式：

其中：η为天线效率，对于平板缝阵天线，通常取0.5，A为天线有效面积，λ是波长，由此可确定天线增益。

3.2.2 伺服机构设计

伺服机构伺服机构利用步进电机开环定位特性［11］，实现天线的搜索、扇扫、指向等功能，由步进电机及驱动器、减速器和测角电位器组成。步进电机选用2414S单轴二相步进电机其供电电压为18V～40V，步距角1.8°减速器采用60：1减速比，步进电机的步距角可以通过该减速器转换为天线的步进角度为1.8′，具有较高的控制精度。测角电位器与天线同轴安装安装，用于测量天线相对于弹轴的角度位置。

天线及伺服组合具有起始、搜索和跟踪三种工作状态，其工作过程与真实反舰导弹导引头相吻合。射频辐射源加电后处于起始状态，天线在右极限位置（起始位置）；开机指令后处于搜索状态，辐射源发射射频信号，同时天线电轴在左右极限范围内搜索或在指定区域内扇扫；开机若干时间（该时间可装订）后转入跟踪状态，根据天线轴向与预定目标的方位偏差形成天线指向控制电压，实施对目标的方位跟踪。

3.3 发射机设计

发射机主要由数控衰减器、固态功率放大器、电源调制器、检波器、输入输出隔离等组成。固态功率放大器采用两级体制，第一级选用增益22dB、输出功率200mW的单片，工作电流0.3A；第二级选用增益20dB、输出功率达14W的功率单片，工作电流4.5A。衰减器可以对信号功率进行步进衰减，实现50dB的输出动态范围，满足低截获雷达功率精确控制要求。电源调制器完成单脉冲、线性调频、二项编码等波形的调制。检波器进行功率检波，并将输出功率数据通过遥测信道下传，用于试验结果分析。

3.4 频率综合器设计

频率综合器为导引头提供全相参的射频发射信号，采用宽带直接数频率合成（DDS）技术，模拟常规脉冲雷达、重频抖动、重频参差、频率捷变、线性调频等多种体制雷达信号。

射频信号源由基带信号发生器、跳频源、混频器、滤波器组成。基带信号发生器采用AD9914产生。AD9914是一款带12位DAC的直接数字频率合成器（DDS），能够产生高达1.4GHz的频率捷变模拟输出正弦波［12～13］，具有快速跳频和精密调谐分辨率和快速相位与幅度跳跃功能。跳频信号源采用内置VCO的单片PLL集成电路HMC765LP6CE完成，按数字控制模块的指令产生相应的频率与基带信号混频滤波后输出至发射机。频率综合器原理如图2所示。

图2 频率综合器原理框图

3.5 数字控制组合设计

3.5.1 数字控制组合硬件设计

数字组合采用FPGA+DSP架构实现，通过双向422串行接口1与空靶控制系统或地面测试系统交联，获取辐射源装订参数、控制指令、载体GPS实时数据，送出反馈信息；通过单向422串行接口2装订射频信号源的编码参数；通过锁存器向发射机送出6位功率控制码；通过可编程器件直接生成波形控制码；通过A/D获取天线位置信息，并根据工作状态和装订信息产生驱动脉冲，通过线驱动器送往步进电机驱动器。数字控制组合原理如图3所示。

3.5.2 天线指向算法设计

随着空靶运动，射频辐射源天线轴向与预定目标的相对角度不断变化，空靶射频辐射源要具有对预定目标的瞄准和定向辐射能力。辐射源天线与目标位置如图4所示。关在空靶发射坐标系下，设空靶发射点坐标为O（0，0），空靶射向为X轴，目标位置的经纬度坐标为D（XD，ZD），目标静止（目标速度相对于空靶的飞行速度可忽略），射频辐射源天线基准轴线与弹轴重合，空靶发射后T秒，空靶弹载惯导解算出空靶T时刻的坐标为T（XT，ZT），则空靶射向相对于目标的夹角：

考虑到空靶姿态的影响，设由空靶航向陀螺信号得其航向姿态角为φ2（在X轴左侧设为正方向），则辐射源天线基准方向相对于目标的夹角：

图3 数字控制组合电原理图

图4 辐射源天线轴向与目标位置关系示意图

3.6 电源组合设计

电源组合采用DC-DC变换器，将来自母线28.5V电源转换为系统工作所需的±15V、+5V等二次电源。

4 试验分析

为验证本文设计的有效性，进行了多次飞行试验。试验中录取的辐射源信号功率数据如图5所示，天线程序指向角与同样航路的雷达导引头航控电压对比数据如图6所示。从图5可见，射频信号功率连续且可灵活控制。从图6可见，程序指向角与航控电压有很好的拟合，在最初10s，二者最大差值为0.44V（雷达导引头航控电压斜率为2.5V/°），换算成角度为0.18°；60s后虽然由于偏转角增大造成一定的非线性误差，但最大角度小于1°，满足角度稳定跟踪要求。