空间功率合成技术在干扰领域的关键问题分析 *

2023-05-30姜宇琛傅军李豹宁治文律腾

现代防御技术 2023年2期

姜宇琛，傅军，李豹，宁治文，2，律腾

（1. 海军工程大学电气工程学院，湖北武汉 430033；2. 国防科技大学智能科学学院，湖南长沙 410073）

0 引言

现代战争的信息化、智能化比重逐步加大，电磁场作为信息对抗的主要战场，电磁频谱的夺取已经成为决定现代战争胜负的重要制约因素［1］。雷达、电磁武器和大功率干扰站等各类电子设备发展趋向于大功率、轻量化、模块化的方向。由于器件受到物理特性的影响和制作工艺的限制，目前单个功放器件功率受到散热和阻抗的限制难以达到技术要求，需利用功率合成技术对多个器件功率进行合成。但随着设备需求发展和技术目标提高，大功率合成变得难以实现［2］。若想获得较大输出功率，同时不受器件物理特性限制，空间功率合成技术具有显著优势。

空间功率合成技术是在传统功率合成技术基础上发展而来，是多个射频单元在自由空间进行辐射，在某个位置通过调节其发射频率和相位进行矢量叠加，可在较大范围内辐射更高强度的功率，改善单个功放器件输出功率不足的问题［3］。本文主要关注空间功率合成的相关技术，对该技术研究现状进行总结，并对其在导航干扰领域的关键问题进行分析。

1 功率合成技术

1.1 功率合成技术的发展

20 世纪50 年代，行波管作为一种大功率的电真空器件，可以提供高效、宽频的功率，但由于其体积大、电压高、寿命短，在军事装备的应用中可靠性差，难以满足需求。随着芯片技术的发展，20 世纪70 年代，一种基于单片微波集成电路（monolithic microwave integrated circuit，MMIC）的功率放大器芯片问世并被应用于各类装备中，其解决了行波管存在的体积和寿命问题，但同时因制作工艺、半导体材料、散热问题的限制难以满足大功率的需求。为了解决装备大功率的需求，突破功放芯片问题的限制，提出了功率合成技术。如图1 所示，功率合成技术主要是指将多个功率放大器组合在适当的合成网络中，各路信号在网络中特定合成点处保持相同的相位和频率关系进行叠加，得到远高于单个功率放大器的输出功率。

图1 功率合成基本原理Fig. 1 Fundamentals of power combining

经过半个世纪的发展，目前功率合成技术主要类型有［4］：①芯片级功率合成；②电路级功率合成；③空间功率合成；④混合型功率合成；⑤其他功率合成。具体分类如图2 所示。

图2 功率合成主要类型Fig. 2 Main types of power combining

1.1.1 芯片级功率合成

芯片级功率合成是发展最早的一项合成技术，通过在散热基片上集成管芯同时匹配相应的输入与输出电路进行功率合成［5］。1968 年，Josenhans 利用安装在散热器上的3 个串联二极管，在13 GHz 处产生了合成效率为6.4%的4.5 W 连续波输出［6］。1971 年，Kurokawa 等在波导腔内用12 个封装的雪崩二极管（IMPATT）二极管进行组合，在9.1 GHz 处产生了10.5 W 的功率输出［7］。虽然芯片级功率合成性能稳定，电路体积小，便于设计，但是由于在高频段时电路体积缩小，芯片散热问题突出。半导体材料损耗较高、芯片制作工艺不够先进也会导致合成效率较低、输出增益小，难以满足大功率的输出。

1.1.2 电路级功率合成

电路级功率合成技术是基于芯片级功率合成技术的发展，将信号通过多级功率分配网络等分成Nn路，在每一路将信号通过功放器件进行放大，将放大后的信号再逐级进行矢量耦合和叠加，提高输出功率［8］，其基本原理如图3 所示。由于其设计思路清晰、器件加工简单、幅相一致性较好，且电路的匹配和调试易于开展，被国内外学者广泛使用。其可分为谐振腔合成和非谐振腔合成，实际应用主要有分支线电桥、Lange 电桥、Wilkinson 电桥等［9-10］。以非谐振腔合成的链式耦合合成为例，通过N个不同的分支将输入信号进行耦合，为保证幅相一致性将功分网络和合成网络进行反向连接。2003 年至2004 年，JIANG Xin 等人设计制作了由8 个MMIC 组成的功率放大器，在33 GHz 处功率合成效率约为80%［11-12］。2008 年，ZHONG Shichang 等人在X 波段采用单芯片和四芯片的组合设计电路，得到了119.1 W 的连续波输出功率，将合成效率提升了38.2%［13］。但是随着输出功率增大，其合成级数不断增加，导致电路级功率合成的传输线损耗和功率放大器的体积不断增长，合成效率不断降低。

图3 电路级合成基本原理和链式合成示意图Fig. 3 Basic principle of circuit-level combining and schematic diagram of chain combining

通过前2 类技术的分析和对比及已有研究的成果来看，此2 类合成技术工作带宽限制于基本单元，器件体积和损耗较大，合成效率较低，难以满足大功率设备的需求。通过对比2 类功率合成技术的优缺点如表1 所示，并在此基础上提出空间功率合成技术。

表1 2 类功率合成技术最新成果Table 1 Latest results of two power combining technologies

1.2 空间功率合成技术原理

空间功率合成技术源于对微波毫米波的研究，毫米波固态功放在芯片级、电路级功率合成中受到自身物理特性和材料工艺等方面的影响，合成效率无法提高，输出功率无法达标。国外在20 世纪80年代基于天线与电波传播理论提出了空间功率合成技术并进行了设计试验。

通过天线与电波传播理论［14］可知，设天线增益为G，单位发射天线的输入功率为P，在自由空间传播时距离天线r处的信号强度E为

式中：θ为信号到达相位。

N个单位发射天线进行叠加组成天线阵在r处的场强Et为

假设各单位发射天线的增益和输入功率相同，则每个单位发射天线在r处的场强为

则整个天线阵列在距离为r处的场强为

上述公式仅作为理论依据，在实际应用阵列天线进行功率合成时需考虑各类损耗、各单位发射天线相互之间的干扰及空气对电波传播的影响等因素，经过几十年的发展现阶段其主要合成类型有准光空间功率合成、波导空间功率合成和自由空间功率合成。

1.2.1 准光空间功率合成

准光空间功率合成技术是在满足准光稳定时，利用透镜、偏振器等器件将每一路信号放大后在准光腔内进行合成，其准光腔腔距和谐振频率有关。1983 年，Wandinger L. 和Nalbndian V. 提出了准光空间功率合成技术并进行试验，利用2 个60 GHz 的Gunn 振荡器进行合成，合成效率达到54%［15］。2005年，Judaschke R. 设计了一种150 GHz 线性振荡器阵列的准光功率合成器，在自由模式和锁定模式下连续波输出功率分别为78.0 W 和83.5 W，合成效率约为66.5%和71.2%［16］。2020 年，杨振宇通过设计多反射面的准光功率合成器，在94 GHz 处合成效率达到74.6%［17］。其设计理论较为成熟，但具体器件仍存在带宽受限、散热难和合成效率低等问题，应用前景不够广阔。

1.2.2 自由空间功率合成

自由空间功率合成是多个功放单元通过天线辐射在自由空间中，在某一点进行矢量叠加，通过发射机使其向某一特定的方向进行辐射，可以看作准光功率合成技术的变形。1981 年，Durkin 等首次提出空间功率合成的概念，并完成了35 GHz 的有源阵列的合成，得到了29 dBi 的阵列增益［18］。但是大多数自由空间功率合成受到器件间的匹配和注入锁定功率输出等问题，导致性能较差，合成效率和输出功率不够，散射损耗较大，同时受到天线带宽的影响难以进行整机集成。2006 年，章宇兵等采用振源天线任意分散布阵，合成效率达到70%［19］。2010 年，陈鑫等采用抛物面天线阵列进行功率合成，将合成效率提高至92%，有效减少了空间中的散射损耗［20］。通过有源天线阵列的相控阵法，有效提升了辐射功率和天线增益，被广泛应用于通信、雷达和干扰机等领域的功率合成。2018 年，LI Bin等通过伞形阵列功率合成方法，在25～30 GHz 处将合成功率提高了26%［21］。

1.2.3 波导空间功率合成

1997 年，由Alexanian A. 和York R. A. 提出基于波导的空间功率合成技术，通过槽线到微带的过渡和封装提升了电路的合成效率，在X 波段8～12 GHz 处合成效率达到68%［22］。相比于前2 种合成技术，波导内空间功率合成技术使用封闭结构解决了散射损耗问题，通过设计波导到微带线的转化电路解决了带宽限制的问题。2010 年，陈明勇等人研究了一种Ka 波段径向波导的空间功率合成网络，通过仿真发现在32.7～38.8 GHz 内回波损耗小于-20 dB，插入损耗小于0.065 dB，可用于波导功率合成器的设计［23］。2017 年，徐永杰等人设计研制了波导内空间功率合成放大器，在13.75～14.5 GHz 输出功率大于46.8 W，合成效率约为78%［24］。2021 年，于士同等人通过微机电系统（micro-electromechanical system，MEMS）技术在90～96 GHz 频带内将合成效率提高至95%以上，有效提升了合成器件的空间利用率［25］。

表2 中总结了各类空间功率合成技术的最新成果，随着装备和系统对输出功率的要求逐步提升，波导空间功率合成技术和自由空间功率合成技术逐步成为主流，实际应用时应结合装备状态、技术需求等，发挥各类技术优势进行综合设计，使设备呈现高功率、高增益和轻量化特性。

2 空间功率合成关键技术

根据空间功率合成原理，其主要是利用多个发射天线组成有源天线阵列，发射频率、相位符合电磁计算关系的辐射波束，在空间中进行功率叠加，在特定距离和方位实现高密度的能量波束。数字波束合成技术作为空间功率合成的关键技术在国内外的通信、导航卫星上均有体现，主要是完成信号采样、波束形成等功能。在产生相同波束数量的情况下，该技术可解决设备功耗过大和设备体积受器件数目的限制的问题，同时可对资源进行高效合理的分配，使干扰设备发挥最大效能［26-27］，同时便于在合成网络中调整相位和幅度的误差，灵活性较高。在处理信号时也不受空间的影响，在很大程度上增强了可靠性，提高了波束形成的功率能量密度［28］。国内最早是在“神舟”飞船上搭载L 波段相控阵天线，中国空间技术研究院采用超过10 m 的大型反射面天线为其提供低轨通信能力。后续着力开发基于数字波束合成技术的有源相控阵，以满足带宽和大功率干扰及抗干扰的需求［29］。在导航干扰领域有利用数字波束技术的自适应调零天线对接收终端进行抗干扰。经过多年发展，现阶段基于相控阵技术出现了多种数字波束合成技术，主要有平行波束合成、聚焦波束和合成和交叉波束合成方法［30］。

2.1 平行波束合成

相控阵雷达主要由平面阵列天线组成，结合T-R 组件和其他电路来进行信号的幅相控制。其主要通过发射平行波束来实现合成功能，通过N个天线单元组成天线阵列，在俯仰角和方位角2 个方向实行天线的波束合成［31］。越来越成熟的平面相控阵技术已成为各个国家军事装备的核心，尤其在航空和航海领域应用较为广泛。

2. 2 聚焦波束合成

与平面相控阵雷达不同，聚焦波束合成利用的是抛物面阵列。将单位发射天线安装在抛物面的不同位置，将各个发射天线的波束聚焦在抛物面的焦点位置，使其在此位置功率较高［32］。聚焦波束受到其表面电流分布的影响，只能采用密集阵列天线来合成功率，因此在设计时利用轴对称和低旁瓣的辐射特性。

2. 3 交叉波束合成

交叉波束合成是在波束区域内进行不同振源间的相互干涉进行合成，主要与干涉条纹间距、干涉相长的点位置以及振源频率有关。在两点源交叉波束的基础上增加振源，通过调节多个振源的波束交叉点和振源之间的相互交叉角来确定空间中的有效功率点，得到最大的功率合成位置［33］。

如表3 所示，通过对空间功率合成中3 类关键技术优缺点的对比，可在不同需求的装备中使用不同的技术。现阶段卫星导航星上设备中多使用有源相控阵的平行波束合成和聚焦波束合成，但在大功率导航干扰领域未见具体应用技术，现就其在导航大功率干扰领域的应用进行分析。

3 空间功率合成技术在导航干扰领域关键问题分析

近年来随着导航系统的快速发展和在军事领域的应用，卫星导航系统已经成为舰艇、坦克等军事装备和战斗人员高精度定位最主要的手段，需要解决在复杂电磁环境下导航终端的干扰和抗干扰问题。由于导航卫星轨道高度平均处于20 000 km，结合卫星发射功率和电池寿命的限制，信号到达地面时极其微弱。如表4 所示，导航信号的脆弱性导致其容易受到各类信号源的干扰，对导航终端的干扰可根据目标信号带宽不同、干扰作用时间不同和干扰来源不同分为多种干扰类型。我国“北斗”导航终端受到的干扰主要有阻塞式干扰和瞄准式干扰2 种形式。在海湾战争、伊拉克战争等现代军事行动中，对导航终端的干扰多以窄宽干扰为主。

表4 卫星导航系统干扰技术主要类型Table 4 Main types of jamming technology for satellite navigation system

压制式干扰是利用发射机产生与卫星导航信号频率相同的射频干扰信号，使导航接收机失去工作能力。压制式干扰受到地形和空气的遮蔽影响较大，同时覆盖范围较广，所需的干扰功率较大，不仅要超过热噪声的功率，还要超过导航信号的处理增益Gp。现有卫星导航设备信号频率绝大部分处于L 波段，目前L 波段小型固态功放的脉冲功率已达40 kW，但仍存在传输线损耗和热损耗较大、器件结构空间有限、半导体材料限制等问题。在军事领域特别是海战场环境中，对大功率压制干扰的需求更为突出。在战争中若遭遇对手对我方舰艇导航设备进行干扰，需要大功率干扰站来反制对手。例如在舰艇平台中舰艇结构设计精简化、设备集成化，但现有大功率压制干扰机设备绝大部分为固态功放，所占空间较大，难与舰艇设备进行高度集成，且固态功放工作时温度较高，对舰艇自身安全和隐蔽性影响较大。为提升导航干扰设备的输出功率，增大合成效率，同时使设备小型化，提出了在导航干扰设备中引入空间功率合成技术，利用相控阵平面来提高发射功率，未来计划设计一款具有高效集成的小体积大功率导航干扰站。结合该技术的优缺点分析，现阶段主要存在以下几个问题：

（1）器件功率容量不够。L 波段相较于S 波段及更高频率波段频率较低、波长较长，使其在相同体积器件内的功率容量较小，输出功率无法达到相应的技术要求。若采用大体积固态功放则导致干扰设备体积过大，与轻量化、小型化的要求相矛盾。

（2）电磁兼容要求较高。例如搭载平台需要处理各类复杂的通信、雷达及卫星导航信号，已有的相控阵雷达和通信等设备的天线电磁设计已较为成熟，各类平台再搭载导航干扰设备相控阵天线需重新进行电磁设计，对整个搭载平台电磁兼容提出了更高的要求。

（3）同时产生多频点宽带干扰信号较困难。各类导航系统有不同的载波频率、信号带宽及调制方式，例如GPS 目前提供服务的信号包括L1，L2 和L5。L1 频段载波频率为1 575.42 MHz，其C/A 码采用BPSK-R（1）调制方式，带宽为2.046 MHz；P（Y）码采用BPSK-R（10）调制方式，带宽为20.46 MHz。L2 频段载波频率为1 227.6 MHz，其P 码采用BPSK（10）调制方式，M 码采用BOC（10，5）调制方式，带宽为20.46 MHz。L5 频段载波频率为1 176.45 MHz，其采用QPSK-R（10）调制方式，带宽为20.46 MHz。GLONASS的G1频段载波频率为1 602+0.562 5 k MHz，G2 频段的载波频率为1 246+0.437 5 k MHz，其均采用BPSK（0.5）调制方式，带宽为1.022 MHz。对其按照相近频率进行合并，可划分为1 150 ～1 300 MHz，1 550～1 650 MHz 2 个频段，若需对所有导航系统不同信号分量同时进行干扰，则需要同时产生多个不同频点且带宽至少100 MHz 的干扰信号，其设计较为困难。

针对以上问题，可采用空间功率合成技术设计一款使用相控阵平面的导航大功率干扰站，从相控阵器件的原理设计、结构设计，信号处理算法等方面解决，并进行相关试验的验证。使导航干扰设备具有输出功率更高、合成效率更高、适于高温环境和轻量化的优点，能适应搭载平台的需求。