2019, Vol. 41
由于舰载有源干扰设备具有频带宽、功率大、干扰样式丰富以及同时对多方向、多目标雷达信号实时快速有源干扰对抗的功能，在水面舰艇防空反导使命中担负着“软”武器对抗的重要任务，因此，世界各国水面舰艇均装备有不同型号的有源干扰设备。但是由于有源干扰设备工作频率范围宽、功率大，尤其是辐射的带外杂散分量高，而且天线付瓣电平高等问题给水面舰艇舰面电磁环境产生了严重影响，从而对舰面布置的其他舰载电子设备造成了不同程度的电磁干扰，降低了其他舰载电子设备和武器系统的作战效能，导致舰艇综合作战效能不能充分发挥。如何解决好这一个极其复杂而突出的电磁兼容性矛盾，改善全舰电磁环境，充分发挥全舰综合作战能力是舰船总体设计中一个极为重要而又十分困难的课题之一，本文就此命题进行技术探讨。
1 大功率有源干扰设备辐射带外杂散分量技术状态及产生的机理分析 1.1 舰载有源干扰设备基本原理以美军通用舰载有源干扰设备SLQ-32V为典型装备，其基本组成如图1所示。
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图 1 舰载有源干扰设备基本组成原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of ship-borne active-jam |
图中，n为干扰发射机有源信号注入通道数，分大、中、小3种配套类型，n=24，36，72；m为有源干扰发射天线阵天线单元数。
由m个相同的单元天线组成，共同覆盖90°范围的方位角。
其基本原理简介如下：
1）干扰信号源。产生各种干扰样式的小功率微波信号源经调制后，提供给各个发射通道作干扰信号源。
2）末级行波管功率放大器组件（TWT）。进行功率放大，输出足够大的干扰功率。
3）罗特曼透镜。将输入的干扰信号进行相位调制输送到功率放大组件经天线阵向外发射。
4）天线阵。由多个相同的天线单元组成，覆盖所需干扰的空域，并在空间合成为某一指定方向单波束。
1.2 有源干扰设备辐射杂散频谱分量的类型及产生机理有源干扰设备辐射带外杂散可分为2类：静态噪声和发射干扰信号时有用频谱之外的带外杂散。
1.2.1 静态噪声 1.2.1.1 静态噪声物理特性指在行波管功率放大器加电正常后，在信号输入端无微波信号条件下，功率放大器输出的信号。如末级功放采用固态功率放大器件时则静态噪声很小，如末级功放采用行波管放大器（TWT），则输出静态噪声较大。而且其频谱宽度很宽，覆盖了行波管工作的频率范围。
1.2.1.2 静态噪声形成机理典型行波管放大器工作原理如图2所示。
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图 2 CW行波管（TWT）原理示意图 Fig. 2 Schematic diagram of CW-TWT |
图中，kf为灯丝为加热极与阴极（产生热电子）合为一体，阴极相对地为负高压；g为聚束极（控制极），行波管加电时相对阴极为负压（–1～–1.2 kV截止电压），防止CWTWT加电过程中过流。TWT加电正常后为0 V。c为收集极，收集剩余电子，相对阴极为正高压；螺旋线，将RF入注入的小功率微波信号进行功率放大后由RF出输出大功率微波信号。
其静噪是连续波行波管正常加电后，因灯丝发热使阴极产生热电子运动，其蒸发的热电子在RF入端无输入微波信号时，由RF出端输出的接近于白噪声的射频信号功率，如图3所示。
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图 3 末级行波管功放（TWT）输出静态噪声频谱示意图 Fig. 3 Static noise spectrum diagram of TWT |
图中，fL为TWT工作频率范围低限频率点（一般为6 GHz）；fH为TWT工作频率范围高限频率点（一般为18 GHz）。
典型行波管(单管功率50 W)的静态噪声电平约为–20～–23 dBmw/MHz，行波管单管输出功率越大则静态噪声电平更高。
1.2.2 辐射有用干扰信号时的带外杂散频谱特性 1.2.2.1 频谱特性有源干扰设备在发射有用干扰信号的同时也带有无用的杂散频谱信号，如图4所示。
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图 4 发射有用干扰信号时频谱分布示意图 Fig. 4 Spectrum diagram of Jam signal |
由图4可见，有源干扰发射频谱中除有用干扰信号瞬时带宽Δf外，还具有干扰信号的高次谐波分量和非谐波带外杂散分量，而且其带外杂散分量频谱分布是无规则状态。其2次谐波分量是有用干扰信号的2倍频率，其幅度约为主频谱–20～–30 dB左右，其非谐波带外杂散为主频谱的–30～–40 dB，而且频谱分布杂乱。由于舰载有源干扰设备辐射的干扰功率为数百千瓦到兆瓦级，舰面布置的其他电子设备天线与干扰设备天线距离较近，因此其带外杂散分量对舰面电磁环境影响不容忽视。
1.2.2.2 带外杂散形成的原理分析大功率末级功放特性如图5所示。
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图 5 末级功率放大器放大特性 Fig. 5 Performance of power amplifier |
输入信号功率为Pλ，输出功率为P出。
1）Pλ≤P1时为线性放大区；
2）P1<Pλ≤P2时为非线性放大区；
3）P2<Pλ≤P3为准饱和放大区；
4）Pλ>P3时为饱和放大区。
当行波管处于线性放大区时，输出信号对输入信号进行线性放大，波形无畸变，不会产生高次谐波，即使是输入不同频率的多个信号也不会产生交调互调，也就不会产生新的频率分量，即不产生带外杂散分量，但输出功率小。
当行波管输入信号功率增大，进入到非线放大性区时，除对输入信号进行放大外，还会产生波形畸变，输出信号会产生高次谐波分量。如果输入信号同时具有多个频率，除了产生许多高次谐波分量（2fλ
有源干扰设备为了保证干扰效果，在实施杂波压制性干扰时需具备一定的压制带宽。对固定点频工作的雷达，杂波干扰的压制带宽通常为10～20 MHz，对跳频工作的雷达压制干扰带宽通常为50～800 MHz可选（根据干扰对象雷达跳频带宽而定）。无论是窄带压制干扰带宽或是宽带压制带宽是由许许多多频率信号的集合而成，在同一时刻由末级功放输出。而由于末级功率放大器为了输出大功率通常处于非线性放大区（准饱和与饱和区）工作，必然会出现多种频率分量相互的交调互调效应，产生许许多多的新的频率分量，即非谐波带外杂散。由此可见，末级功率放大器输出的杂散频谱分量非常丰富。这就是有源干扰设备发射频谱中带外杂散分量频谱宽、功率分量大的主要原因。
和大功率雷达相比，大功率脉冲雷达虽然也是由大功率功率放大器输出发射信号，但雷达信号脉冲内多数为单频信号或脉内调制（调相、调频的脉压技术），尽管脉压雷达脉冲也有一定的调频带宽，但在某一时刻也是单频信号，经过末级功放非线性区放大后，只会发生波形畸变，而产生该频率的高次谐波分量，不存在多个频率间的交调互调，不会产生非谐波带外杂散分量。这是大功率有源干扰与大功率雷达辐射的本质差别。而现有雷达辐射信号也存在一定的非谐波带外杂散分量，其原因是雷达信号源频谱不纯，即雷达信号源中除主频谱信号外还存在杂散分量，这样的信号源经非线性放大后也产生多种频率分量的带外杂散。目前大多数为相参雷达，其信号源频谱质量都较好，所以雷达辐射的带外杂散频谱分布范围小，而且非谐波杂散频谱功率分量也很小。
2 改善有源干扰辐射带外杂散分量的技术途径 2.1 TWT功率放大器输出静态噪声的改善途径由前述可知，TWT末级功放输出的静态噪声频谱很宽，功率分量较大。
2.1.1 采用固态功率放大器固态功率放大器由于不需灯丝加热“蒸发”热电子，其静态噪声比行波管功放要降低20～30 dB。目前，单元固态功放由于输出功率不够大，不能完全满足有源干扰设备输出大功率的要求，要获得大功率需组成更多元固态功放发射阵列进行功率合成。
2.1.2 采用栅极控制的新型连续波TWT功率放大器动态快速截止电压控制技术有源干扰设备目前普遍采用时间分配法以达到对雷达目标有效干扰的目的，如图6所示。
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图 6 有源杂波干扰实施雷达目标干扰时序关系示意图 Fig. 6 Sequential diagram of active jam |
由图可知，有源干扰时间要覆盖雷达目标脉冲。而在侦察观察窗（约为2～5 ms）内和电磁兼容管控跟踪波门（约为2～15 μs）内，有源干扰停止发射，目前采用快速切断行波管输入微波信号而停止干扰发射。这时行波管输出信号端仍有静态噪声，对本舰雷达侦察设备和本舰同频段工作的其他电子设备造成干扰，不能正常接收信号。
如何抑制TWT输出的静态噪声，就是在有源干扰发射时间之外时间域给行波管聚束极加载截止负电压，这时静态噪声可被抑制。以某个行波管为例，在聚束极电压处于非截止状态时，行波管输出静态噪声为–23 dBm/MHz, 当聚束极电压处于截止状态时输出为–80 dBm/MHz。可见聚束极处于截止状态时，静态噪声降低了67 dB，其效能甚佳。
如何抑制TWT输出的静态噪声，就是在有源干扰发射时间之外时间域给行波管聚束极加载截止负电压，这时静态噪声可被抑制。以某个行波管为例，在聚束极电压处于非截止状态时，行波管输出静态噪声为–23 dBm/MHz, 当聚束极电压处于截止状态时输出为–80 dBm/MHz。可见聚束极处于截止状态时，静态噪声降低了67 dB，其效能甚佳。
2.2 末级功率放大器发射干扰时带外杂散的抑制技术由前所述，有源干扰设备发射信号需一定的瞬时干扰带宽而具有多个频率信号的集合，经末级功放非线性区或饱和区放大后产生多频率之间的交调互调形成宽频谱分量的带外杂散。而带外杂散的频谱功率分量与行波管工作区有密切关系，越趋近饱和则输出功率越大，带外杂散分量也越大。因此，选择行波管工作在线性区域和浅非线性区，可以大大降低带外杂散分量，但输出的功率也下降。为了弥补末级功放输出功率下降的缺陷，可以用多个工作在线性区或浅非线性区工作的末级功放组提高有效辐射功率，如多波束和相控阵模式，当然设备成本更高，但达到了降低带外杂散的目的，这两者之间的取舍根据需求而定。
3 改善大功率有源干扰辐射对于舰面电磁环境影响的技术途径为了改善大功率有源干扰对舰面电磁环境影响，除了上述在频域上抑制有源干扰辐射的带外杂散外，还可采取多种技术措施。
3.1 降低有源干扰设备天线的付瓣电平有源干扰设备天线一般布局在舰面主桅两弦方向，2套天线各覆盖180°。干扰天线主波束原则上不照射本舰其他电子设备的天线，但天线付瓣都能照射到。如能大大降低有源干扰设备天线付瓣电平，则可降低有源干扰设备对舰面其他电子设备的干扰。要避免有源干扰设备天线付瓣的干扰，则要求其付瓣电平再降低数10 dB。而有源干扰设备均是超宽频带工作，宽频带工作的天线要达到很低旁瓣极为困难，无论是单波束天线或是多波束天线，目前天线旁瓣约为–20～–30 dB。
3.2 优化有源干扰设备天线在舰艇上的总体布局 3.2.1 有源干扰设备天线高度下降有源干扰设备发射天线一般均布置在主桅下端，这种布局使有源干扰设备与舰面同波段其他电子设备天线高度差较小，而且天线之间可以通视，对其他电子设备的电磁干扰严重。有源干扰设备天线布置高度下降，如布局在主甲板以下的左、右弦，一方面可适当增加与舰面电子设备天线之间高度差和相对距离，更主要是有源干扰天线与舰面同波段工作电子设备天线之间避开了通视状态，即有一定遮挡效应，可大大改善有源干扰与其他电子设备之间的电磁兼容性。美海军的舰艇有源干扰设备天线布局状况就采用这种方案。
降低有源干扰设备天线高度也会带来干扰视距降低的负面影响，导致作战效能降低，对此进行分析。
假设有源干扰设备天线水线高度由16 m下降到9 m，有源干扰设备主要作战任务是对抗敌方反舰导弹，反舰导弹在末端的飞行高度设定为25 m、16 m、9 m三种。根据视距计算公式：R(km)=4.12（
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表 1 有源干扰天线高度对视距影响 Tab.1 Effect of active jam antenna height on visual range |
由此可见，即使在有源干扰天线高度为9 m，反舰导弹飞行高度也为9 m的极限情况下，两者之间视距仍有25 km。一般导弹束制导雷达开机都在攻击末端，距被攻击舰艇距离在20 km左右，仍可满足作战要求，却有效改善对舰面同波段电子设备的干扰。
3.2.2 对有源干扰设备覆盖空域进行适当遮挡目前舰载有源干扰设备覆盖空域通常为每弦为±90°，两弦为360°，这种布局可提高有源干扰对抗空域，但也对舰面电磁兼容环境造成了极大威胁。
借鉴美海军舰船有源干扰天线布置状态，在其舰首尾方向对有源干扰天线覆盖角进行有限遮挡，也就是适当降低了有源干扰在船首尾方向的覆盖角，对全舰舰面电磁环境有了很大改善。
一方面美海军SLQ32V有源干扰设备为多波束干扰天线，这种体制的有源干扰天线在舰首尾方向主波束有一定畸变，在舰首尾方向干扰效果本身会有一定降低；另一方面，有源干扰设备天线在舰船首尾方向有较小的遮挡造成的损失，可由舰载其他武器系统反导作战能力而弥补。由于水面舰艇防卫具有多种武器系统，如防空导弹、火炮系统、电子对抗系统，舰艇防御是多种武器系统综合作战完成，各武器系统在作战方向、不同拦截距离上相互弥补。而舰载武器系统和无源干扰设备多数在舰首尾方向均有较强的作战能力，正好弥补了有源干扰在舰首尾部小遮挡角的损失，相反却大大改善了舰面电磁兼容环境。这种得与失的理念也值得借鉴。