收稿日期:2005202222
基金项目：国家自然科学基金资助项目(60472097)
作者简介：章宇兵(19712)，男，工程师.
唐季礼蓝燕章宇兵1，张 浩2，廖桂生2
(11中国电子科技集团公司第27研究所，河南郑州 450005;
关于下雪的唯美句子21西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室，陕西西安 710071)
摘要：介绍了随意分散布站短波通信干扰机空间功率合成系统的基本原理和主要技术，给出了系统仿
真和试验结果.该系统以短波通信干扰机为阵列单元，采用随机稀布阵数字发射波束形成技术将多台干
扰机的功率在空间进行合成，达到增强干扰功率的目的，同时由于采用任意分散布站，使得该系统具有
更强的实用性.
关键词：通信干扰；随机稀布阵；空间功率合成
中图分类号:T N914 文献标识码:A 文章编号:100122400(2006)0120150206
A technology of spa ti a l power 2co m b i n a ti on for
the rando m decen tra li zed j amm er array
ZHAN G Yu 2bing 1,ZHAN G Hao 2,L I AO Gui 2sheng 2
(1.The 27th Research I nst .of China Electr onics Technol ogy Gr oup Comporati on (CETC ),
Zhengzhou 450005,China;
2.Key Lab .of Radar Signal Pr ocessing,Xidian Univ .,
Xi ′an 710071,China )
Abstract: The paper de monstrates a technol ogy of s patial 2combinati on f or the random
decentralized ja mmer array by p rinci p le analysis,co mputer si m ulati on and engineering tests .
The technol ogy is essentially an app licati on of the active phased array radar theory .It just
dep l oys ja mmer units distributed and builds up a huge thinning antenna array covering several
square kil ometers .A s a conclusi on,this technol ogy not only guarantees the ja mmers πmobility
and field 2viability,but als o p r ovides a ne w possible way t o increase ja mm ing power and battle
effectiveness .
Key W ords: short 2wave ja mm ing;random thinning array;s patial power 2combing 当前在通信对抗领域主要采用固态功率合成技术获得大的射频干扰功率.但是，研制超大功率受到高压电源及高功率器件等因素的限制.为了突破功率器件的制约，得到更强大的干扰功率，常利用空间功率合成技术大幅度提高干扰功率.功率合成技术就是利用多台干扰机单元发射频率相同、相位符合特定关系的电磁波，使之在空间传播过程中功率相互叠加，从而在一定方向上形成电磁波束[1,2].
空间功率合成技术多是集中密布阵方式，合成出的波束功率质心指向天线阵，容易被敌方准确测向定位，其抗反辐射导弹(ARM )攻击能力较弱.为克服上述缺点，笔者探索随机分散布阵方式下的空间功率合成技术，这样可在扩大电子干扰威力的同时，以分散布阵的方式使对方侦察测向设备不能获得我方干扰站辐射信号的有效波前信息，因而不能对其测向定位，使系统具有较强的抗AR M 攻击的能力.
2006年2月
第33卷 第1期 西安电子科技大学学报(自然科学版)
JOURNAL OF X I D I A N UN I V ERSI TY Feb .2006
Vol .33 No .1
1 空间功率合成的基本原理
111 空间功率合成原理
由天线与电波传播理论可知，对于天线增益为G T ，输入功率为P T 的单元发射天线，在自由空间电波传播条件下，距离天线r 处的信号场强E 0为
E 0=((30P T G T )1/2/r )exp (j θ) ,(1)
式中θ为信号到达相位.如图1所示的N 个单元天线阵，在距离该阵r 处的场强E 为各个单元天线辐射信号场强的叠加，即
E =∑N马天宇的父母
i =1E i
.(2
)
图1 空间功率合成原理框图
假设各天线单元具有相同的天线增益G T 和相同的输入功率P T ，则第i 个单元天线辐射信号在接收点的场强为
E i =((30P T G T )1/2/r )exp (j θi ) .(3)
将E i 带入式(2)可得
E =∑N
i =1E
i =(30P T G T )1/2r exp (j θ1)(1+exp (j Δθ21)+…+exp (j ΔθN 1)) ,(4)
式中Δθ21,Δθ31,…,ΔθN 1分别为第2，第3,……，第N 个单元天线相对于第1个单元天线辐射信号到达接收点的相位差.合成场强的幅值为E =(30P T G T )1/2r ((1+cos Δθ21+…+cos ΔθN 1)2+(1+sin Δθ21+…+sin ΔθN 1)2)1/2 .(5)
若接收机到天线阵的距离为r ，信号波长为λ，接收天线增益为G R ，在自由空间电波传播条件下，接收机的输入功率为
P R =λ4π2E 230G R =λ4π2P T G T G R N 2η ,(6)
其中η=((1+cos Δθ21+…+cos ΔθN 1)/N )2+((1+sin Δθ21+…+sin ΔθN 1)/N )2,η
被称为空间功率合成效率，简称合成效率.显然,η≤1，当N 个信号同相叠加，可获得最大的空间合成功率.
由式(6)可见，等效功率与阵元数的平方成正比.随着阵元数的增加，等效功率将迅速增大.
112 波束展宽原理
与相控阵雷达不同，干扰机空间功率合成不但要求合成功率大，而且波束要求相对宽一些，以覆盖较大的区域.在相控阵雷达搜索工作模式中，有时需要对波束进行展宽.通常采用相位散焦法，它利用几何光学凹透镜的原理，将平面波前变为球面波前，使波束散焦从而将波束在一定范围内展宽[3].
151第1期 章宇兵等：任意分散布阵短波通信干扰机空间功率合成技术
另外一种适用于极稀布阵天线波束展宽算法原理如下.
对任意分散布阵干扰机空间功率合成的特殊要求:⑴为提高系统生存能力，要求参与合成的干扰机间距是十几到几十个工作波长;⑵为保证总的发射功率不降低，扩展波束不能采用幅度加权的方法;⑶设置保护频点，对系统形成栅瓣不作要求，可在频谱上隔开;⑷确保有足够的波束宽度.
相控阵天线波束宽度(3d B )Δθ与天线孔径D =N d 之间的关系为
Δθ≈(1/co s θn )(51
λ/(N d )) ,(7
)图2 最佳布阵示意图其中θn 为波束指向与阵面法向方向的夹角,d 为天线阵元间距,N
为阵元数.
以2元阵为例(N =2)，对于雷达应用，为了不出现栅瓣，取
d =λ/2，则在法线方向形成的波束宽度Δθ=5011°.对于本系统,
要求站间距很大，使得干扰站阵列孔径很大.取d =25
三国志12怎么打仗λ，则Δθ≈111°，主波束非常窄，达不到覆盖区域面积要求，除主波束
外，还会在其他方向形成大量栅瓣，栅瓣会泄漏能量.
在给定干扰站数目和站间距条件下，为了获得最宽的波束宽
度(覆盖区域面积)，则最佳布阵是将站排列成一条直线且沿此直
线方向形成天线主瓣.直线阵排列受实际地形的限制，因此，可修
正为长扁椭圆形布阵，如图2所示.
以图2所示建立坐标系.不妨以第1个干扰站(称为主站)作
这个地球平面直角坐标系的原点，其他各站i 的坐标为(x i ,y i ),i =2,3,4，空间功率合成方向即期望方向θn (以正北方向为0°
，逆时针方向为正).指向方向θ的导向矢量为a (θ)=1,exp j 2
πλ(x 2sin θ+y 2co s θ),exp j
2πλ(x 3sin θ+y 3co s θ),
exp j 2
πλ(x 4sin θ+y 4cos θ)T ,
(8)式(8)中λ是发射信号波长.假设各站发射信号初相相同，取干扰站阵列加权矢量W 为a (θ0)，则在θ0方向合成的方向图函数为
P (θ)=a H (θ0)a (θ)2 .(9)
上述方向图函数可确保各干扰站信号在θ0方向同相相加，功率最大.在其他方向未必同样相加，而形
成天线方向图副瓣.但是，由于稀疏布阵，会有很多栅瓣出现，而且波束宽度很窄.
上述空间功率合成的加权矢量W =
a (θ0)，实际上是匹配滤波器理论，改变上述波束形状可通过改变W 来实现，这里主要加宽主瓣宽度.对此，根据数学中曲线光滑度与其可微分的关系，寻求加权矢量W 使波束形成方向图函数P (θ)=W H a (θ)2在θ=θ0处高阶可微分，即P (θ)在θ0处充分光滑因而展宽.
可通过如下约束优化问题的求解来实现:m in W
W H W ,s .t .W
H a (θ0)=1 ,W H a (n )(θ0)=0 , n =1,2
.(10)式(10)中a (n )(θ0)表示求a (θ)关于i 的n 阶导数后在θ0的值，即a (n )(θ0)=a (n )(θ)θ=θ0 .(11)
这里n 最高取到2阶，也可1阶或3阶以上，具体取值取决于干扰站数目.但是,n 最多不能超过干扰站数减2
个.引入一个矩阵c =[a (θ0),a (1)(θ0),a (2)(θ0)],F =[1,0,0]T 求解(10)得
W =c [c H c ]-1F .(12)
这里要求仅相位加权，所以还需对式(12)得到的解进行幅度归一，即使用其相位作加权矢量.
2
51 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第33卷
2 任意分散布站短波通信干扰机空间功率合成的关键技术
虽然任意分散布阵空间功率合成技术的工作原理并不复杂，但要实现真正意义的“任意布阵”和“分散布阵”下的空间功率合成，还有许多具体技术问题需要解决.
211 宽频带相位控制技术
宽带移相技术是空间功率合成技术中的关键技术.实现宽频带的移相器是目前的一大技术难题，而且相对带宽越宽，移相器的实现难度越大.对于短波通信干扰，频带覆盖从2MHz 到30MHz，跨越多个倍频程，采用移相器根本就无法实现.
随着DDS 技术的不断发展，以DDS 为硬件基础的发射数字波束形成技术(DBF )逐渐成熟.其核心是利用DDS 技术将信号产生、频率源、幅相控制融于一体构成全数字收发组件，幅度和相位连续精确可调.对于相对带宽较窄的通信干扰信号，只需按照波束形成算法改变载波相位即可；对于相对带宽较宽的信号，则需要控制DDS 的时钟信号来实现真正的时延.
212 分布式同步时钟源技术
空间功率合成的前提条件是参与合成的信号相位相参，要对任意分散放置的多个干扰机发出信号实现信号相参，最简单的办法就是用电缆将基准源同步起来，但该法不具有实战性.
采用DDS 同步时钟源是一种较为切实可行的办法.为保证分散布阵空间功率合成系统在时间和相位上同步，各个干扰机单元上的DDS 同步时钟源的参考应采用高稳定的原子钟，各单元的原子钟还要定期用同一基准源来校准.利用GPS 接收定时，在各干扰机单元设置一台GPS 接收机，各接收机对同一卫星时间同步后，由各自输出的标准脉冲去控制原子钟产生DDS 时钟源所需参考频率，从而实现各单元之间的时间和相位的同步，同步精度可优于100ns，时间在10s 内平均随机误差为15ns .
虽然采用GPS 接收机和原子钟会增加成本，但此方案将各DDS 的参考时钟都统一到一个时钟相位上，消除了DDS 输出信号的初始相位模糊.在众多方案中，这是一种最为简便现实的方法.
213 幅相误差控制技术
空间功率合成效率的高低可归结为幅相误差对稀疏阵天线性能的影响[4].研究表明，幅相误差与阵元失效对稀疏阵列天线的副瓣电平影响最为严重；其次是主瓣增益和波束指向.但是，作为干扰机，更关心主瓣增益和指向变化情况.通过计算机仿真，可看出相位误差对合成效率η的影响并不大.
表1 合成效率η的计算机模拟
N Δθ
±10°
±20°±30°±45°±60°±90°80.992
0.9690.9320.8530.7550.530160.991
0.9650.9220.8330.7210.46932湘绣
0.9900.9620.9170.8220.7020.438 由于选用了数字上变频器作为干扰激励信号产生器，幅相控制非常精确，影响幅相一致性的因素主要集中在大功率器件上，包括发射机、大功率带宽匹配网络以及宽带天线等.
目前普遍采用固态发射机技术，提高了可靠性和稳定性，且功放一般工作在C 类饱和状态，保证了幅度一致性.而相位误差可通过DUC 在小信号上加以补偿.因此发射机的相位稳定性是很重要的，一次校准后，确保长期工作.试验证明，目前宽频固态功放的相位稳定性能够满足空间功率合成的要求.
3 功率合成的系统仿真和试验结果
仿真1 椭圆任意布站情况下，不同干扰方向上产生的波瓣图.
站址：主站(0,0)，副1站(978,-16)，副2站(1504,-5)，副3站(280,-153).干扰频率为5MHz .由图3可见，在任意布站条件下，只要布阵的椭圆长轴指向干扰方向，采取2阶导数波束展宽算法(下
351第1期 章宇兵等：任意分散布阵短波通信干扰机空间功率合成技术
图3 任意布站形成的干扰波束
同)，就可获得较满意的覆盖范围，即使偏离10°，也是可以接受的.
仿真2 站址误差对波束形成的影响.
条件：工作频率为5MHz .任意布站，波束指向20
°.
图4 站址误差影响仿真图
由图4仿真可见，站址误差对波束形成有一定影响，但并不敏感，小于10%到20%都是可以接受的.事实上，站址误差对应于相位误差,15%波长的定位误差相当于相位误差54°，合成效率仍接近80%，这与前面的计算是相符的.短波频段最短的波长也有10m ，只要定位精度优于1m ，就足以满足波束形成
对站址定位精度的要求.激光测距测向仪完全可胜任站址定位任务.
通过对整个短波全频段内、各种阵型、不同地形的大量试验测试结果来看，在平坦地面时频率低端合成的效率非常高，与理论值接近.对于地面起伏较大情况，合成效率较差.分析原因，主要是波束形成算法中没有将单元间的高程差计算在内，以及地面反射造成的.总的来说,3个站合成的功率增加8dB ，比起理论值
9.5dB 低了约1.5d B ，效率为70%.
4 结束语
以上介绍了随意分散布阵短波干扰站空间功率合成技术的基本原理和关键技术，是在前期理论研究和工程实践的基础上的总结和延展，从理论上理清了主要矛盾和次要矛盾，探讨了具有实际意义的短波空间功率合成系统实现方案.
4
濮存昕女儿51 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第33卷
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(编辑：郭 华)
(上接第106页)
5 结 论
1)文中得到了填加纤维、Silica 后底充胶填料的导热系数预测公式，有一定的应用价值.2)由分析计算可见：在瞬态温度场的变化过程中，采用低导热底充胶时，在两焊点间对称线上相邻结点最大的温度差为6416℃，而采用高导热底充胶在两焊点间对称线上相邻结点最大的温度差为4316℃；后者比前者的温度差下降了3215%.这一结果表明，采用高导热填料可明显降低在粘结各点的温度差，从而可降低热应力.3)不同导热系数的底充胶对焊点中心处的温度分布影响极小，以至可忽略不计，原因在于焊球的导热系数远大于底充胶的导热系数.
综上所述，高导热系数底充胶可明显改善倒装焊的焊点附近温度场的分布，降低底充胶在芯片和基板之间的温度差，从而降低热应力，提高封装的可靠性.
参考文献:
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(编辑：齐淑娟) 551第1期 章宇兵等：任意分散布阵短波通信干扰机空间功率合成技术
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