任意分散布阵通信干扰机空间功率合成方法*

鞠 涛，黄高明，满 欣

（海军工程大学电子工程学院，武汉 430033）

0 引言

日益复杂的战场环境促使现有通信干扰机向着小型化、机动化的趋势发展，以提升设备的机动性和生存能力。小型化给通信干扰机带来生存优势和机动优势的同时，不可避免地引入了功率降低的缺陷，使其对大功率通信电台无法形成足够威胁。空间功率合成技术［1］利用多个发射单元发射相位符合特定关系的电磁波，能够在指定方向形成高功率电磁波束，以多个干扰机为发射单元进行空间功率合成，能够从根本上解决设备小型化与功率不足的矛盾。

基于通信干扰机的空间功率合成已有一些研究基础，文献［2］提出了以多个干扰站作为“相控阵天线”基本单元构成短波空间功率合成通信干扰系统的设想，并使用计算机模拟仿真了由4 个干扰站组成的直线阵列。由于规则布阵抗打击能力差，且缺乏灵活性，文献［3］进一步分析了任意分散布阵通信干扰机空间功率合成所需的关键技术，但没有给出具体实现方案。就空间功率合成的研究现状而言，对分布式广义天线阵［4］的研究较少，且现有工程应用［5-6］多是基于密集天线阵的，各个发射单元共用信号源，在结构上是一个整体，不具备独立运行的能力。采用传统共源方法对通信干扰机进行功率合成显然违背了设备小型化的初衷，本文提出了一种任意分散布阵通信干扰机空间功率合成方法，能够对多个结构独立的通信干扰机进行空间功率合成，使得各个干扰机既能单独遂行作战任务，也能通过空间功率合成协同干扰大功率通信电台，在保留小型化通信干扰机机动优势和生存优势的基础上，克服了其功率不足的弊端。

在本文所提的合成方法中，对任意分散布阵通信干扰机进行空间功率合成需要预先对各干扰机进行时钟同步，并根据干扰机和干扰目标的位置信息计算出时间补偿和相位补偿。文章定量分析了时钟同步误差、定位误差和导向误差对功率合成效率的影响，给出了功率合成效率为0.8 时系统对于相位同步精度、定位精度和导向精度的要求。

1 任意分散布阵通信干扰机空间功率合成原理

如图1 所示，多个干扰机对同一目标发起干扰，发送的干扰信号均为：

将干扰机视为稀布阵列的阵元，假设各干扰机在目标处的场强极化方向对准，根据场强叠加原理，该阵列在目标处产生的合成场强度为：

其中，j（t）为各干扰机发出的干扰信号，J（t）为基带信号，fc为信号的载波频率，N 为参与合成的干扰机数目，hi为各信道的幅度增益，主要由自由空间传播损耗决定为各信号的到达时延，由发射时延和传播时延共同组成，θi为各信号的到达相位，由初始相位和传播相移共同组成。

图1 任意分散布阵干扰机空间功率合成示意图

对场强的平方求时间平均，可以得到合成信号场的功率为：

对到达时间和到达相位的控制存在误差时，实际合成功率小于Pmax，定义空间功率合成效率η 为实际合成功率与最大合成功率的比值：

2 任意分散布阵通信干扰机空间功率合成方法

对于基于密集天线阵的传统空间功率合成而言，各发射单元共用信号源，在发射时间和发射相位上能够保持高度一致，只需使用移相器补偿信号的传播相移，就能在目标方向形成高功率波束。在任意分散布阵的情形下，各单元难以在发射时间上保持精确一致，此外，发射单元的本地时钟不是精确同步的，造成各信号的载波频率和初始相位存在模糊［7］，因此，需要额外的协同措施解决时钟同步和发射时间同步的问题。

本方法通过发送参考载波和触发信号［8］实现时钟同步和发射时间同步。指定某一干扰机为主干扰机，其余干扰机为从干扰机，在实施干扰前，主干扰机向从干扰机发射参考载波，从干扰机使用锁相环［9］锁定相应的参考载波实现时钟同步，时钟同步建立之后，主干扰机发射触发信号，触发各干扰机开始产生干扰信号。

应当注意，在上述同步过程中，从干扰机通过锁相环锁定的载波在频率上与主干扰机保持一致，在相位上等于主干扰机的载波相位加上主干扰机到从干扰机的传播相移，从干扰机接收到触发信号的时间等于主干扰机发射触发信号的时间加上主干扰到从干扰机的传播时延。此外，在后续干扰信号的发射过程中，各干扰信号到目标的传播相移和传播时延各不相同。为使各干扰信号在目标处的到达时间和到达相位保持一致，需要同时对同步过程和发射过程的传播相移及传播时延进行补偿，该补偿可以通过干扰机和目标的位置信息计算得出。

根据本方法的构想，干扰机的结构框图如图2所示，干扰信息预先存储在各干扰机中，以确保干扰信号基带波形的一致性。在产生干扰信号前，各干扰机根据接收到的参考载波进行时钟同步，同步建立之后，一旦接收到触发信号，基带干扰源读取干扰信息开始产生基带信号。延时电路和移相器分别起到时间补偿和相位补偿的作用，该补偿需要干扰机及目标的位置信息作为依据，下面给出时间、相位补偿方法。

图2 干扰机结构框图

图3 干扰机和目标位置信息示意图

2.1 时间补偿方法

2.2 相位补偿方法

3 合成效率分析

在实际战场环境下，对Ri和的测量存在误差，且时钟同步过程存在相位误差（相位同步误差服从正态分布，误差的大小与从干扰机接收载波信号的信噪比有关［9］），这些误差的存在会导致各信号的到达时间差和到达相位差不为零，从而降低功率合成效率。本小节主要分析定位误差、测向误差、以及时钟同步误差对合成效率的影响，探究任意分散布阵空间功率合成方法对于定位精度、测向精度、时钟同步精度的要求。

3.1 仿真方法

3.2 仿真结果与分析

从4（a）～4（c）3 幅仿真图可以直观地看到，合成效率随各项误差标准差增大而迅速减小，当标准差到达某一界限时，功率合成效率趋于稳定，这是因为误差标准差的大小实质上反映了系统对到达相位差的控制精度。标准差越大，控制精度越差，合成效率越低，随着各项误差的标准差超出一定范围，各信号的到达相位将在［0，2π］区间趋于均匀分布，此时合成效率趋于下限。此外，功率合成效率的下限为1/N，干扰机数量越多，功率合成效率的下限值越低，这是因为N 个具有单位功率的信号最大合成功率为N2，而在到达相位均匀随机分布的情况下平均合成功率仅为N。从图4（d）可以看出干扰机群的分布半径越大，功率合成效率随σφ增加而下降越快，这是因为从干扰机到主干扰机的距离越长，相同测向误差导致的到达相位差越大。

图4 单项误差的标准差与合成效率的关系

4 结论

本文提出了一种任意分散布阵通信干扰机空间功率合成方法，以无线的方式发送载波信号和触发信号控制各单元的初始相位和发射时间，根据干扰机和目标的位置信息计算出时间补偿和相位补偿，使各单元发出的信号在目标处的到达时间和到达相位保持一致。该方法能够在不破坏各干扰机结构的完整性和独立性的前提下进行空间功率合成，且不受地形的影响，可以随意布阵，灵活性极强。文章着重分析了相位同步误差、定位误差和测向误差对功率合成效率的影响，得到结论如下：

1）系统的平均合成效率随各项误差标准差的增加迅速减小，当标准差超出一定界限时，平均合成效率趋于最小值。实际运用中，可以根据战场环境和作战需求选取自定位方法（例如激光测距、卫星定位）和辐射源定位方法获取干扰机及目标的位置信息，但相应的精度必须控制在一定限度之内。（精度控制要求可参考3.2 节的仿真结果）

2）系统的分布半径越大，对测向精度的要求越高，实际运用中，应选取靠近干扰机群几何中心的干扰机作为主干扰机，以缩小分布半径。

3）较高平均合成效率对应的误差水平下，系统实现较高合成效率的概率较大，若偶尔出现合成效率较低导致干扰效果不理想的情况，可更新位置信息并重新建立同步再次干扰。