胡黎明，常立军

（中国人民解放军92236部队，广东 湛江 524016）

多波束发射阵通过空间功率合成技术实现高等效辐射功率的有源干扰以及实时多方位多目标的快速干扰。某型雷达侦察干扰系统采用的多波束发射阵的基本原理如图1所示，射频信号经激励级驱动放大后，由波束开关阵进行波束选择，当射频信号从透镜某一输入端口（波束口）馈入时，该信号由透镜分配至各输出端口（阵元口），经行波管放大，馈入对应的大功率开关进行方向选择，再经对应的天线单元向外辐射。由于各个天线单元的辐射信号存在相关性，可在空间进行功率合成，其波束指向由透镜波束口和大功率开关输出方向决定，从而形成确定方向的等效辐射功率。高压电源和行波管是该多波束发射阵的关键部件，也是修理的难点。

图1 多波束发射阵的原理

由于采用了空间功率合成技术，多波束发射阵的等效辐射功率可以表示为（不考虑合成效率）：

式中，PERP为发射阵的等效辐射功率；N为发射天线阵的总元数；P0为单个发射管的输出功率；G0为每个天线元的增益。

由上式可知，多波束发射阵的等效辐射功率与阵元数的平方成正比，当阵元数足够大时，即可获得极大的等效干扰辐射功率。

行波管是一种高增益、低噪声的放大器，因其具有高功率、大带宽、可多模工作的特点，在电子对抗装备中广泛使用。行波管通过电子束与沿慢波线所传输的高频场之间相互作用从而放大微波信号。电子枪产生电子束，电子束在电极的作用下进入慢波系统，并与之进行能量交换，将电子的动能转换成为高频能量，行波管（TWT）结构如图2所示。

图2 行波管（TWT）结构

1 等效辐射功率的检测方案

步骤1：搭建测试环境。如图3所示，连接频谱仪与接收天线，接收天线架设点与多波束发射阵距离应符合远场要求，接收天线架设高度尽可能与多波束发射阵内的天线单元高度接近，并保证接收天线主波束对准多波束发射阵。

图3 等效辐射功率的检测方案

步骤2：确定接收天线的方位。使用差分GPS系统测量多波束发射阵和接收天线的位置，计算并确定接收天线相对多波束发射阵的方位。

步骤3：测量接收距离。根据步骤2所测得的多波束发射阵和接收天线的位置计算并确定两者之间的距离。

步骤4：设备加电，发射系统置于工作状态。

步骤5：在工作频段内选取频率点，间隔500 MHz，包括边界频率点。

步骤6：实施干扰。采用指定参数方式，设置信号干扰频率，干扰方位设置为步骤2所计算得到的方位，干扰样式设置为瞄准噪声。

步骤7：观察频谱仪。设置频谱仪的中心频率为干扰频率，工作宽度为5 GHz，轨迹为最大保持状态，记录频谱仪上干扰频点对应的信号峰值功率。

步骤8：重复上述步骤，直至完成整个干扰频段的测试。

步骤9：测试射频电缆在干扰频点的插入损耗。

步骤10：计算等效辐射功率（ERP）。计算公式如下。

（1）按下式计算等效辐射功率：

式中：PERP为等效辐射功率，dBm；Pi为频谱仪接收功率，dBm；Li为空间衰减，dB；Gi为接收天线增益值，dB；L′i为接收测试电缆损耗，dB；Lg为极化损失，多波束发射阵采用45°斜极化，而接收喇叭天线采用垂直极化，计入极化损失3 dB；L为由于发射天线和接收天线未对准引入的人为误差，计入量视接收天线架设的具体情况而定。

（2）按下式计算自由空间衰减：

式中：Li为测试频率点的空间衰减，dB；R为发射天线和接收天线的距离，m；fi为测试频率，GHz。

2 针对等效辐射功率不符合技术要求的修理思路

雷达侦察干扰系统在对雷达实施干扰的过程中，为确保干扰有效，干扰信号功率与雷达回波功率的比值必须大于压制系数Kj。若干扰功率不足，干扰效果将会减弱，可能由原来设计的三级干扰变为二级干扰，甚至更差。等效辐射功率不符合技术要求应引起足够的重视，可按图4所示的流程进行维护修理。

图4 等效辐射功率偏低的修理流程

步骤1：检查测试系统。

（1）检查波束是否对准，接收天线是否水平或垂直放置。

（2）检查接收电缆插损计入是否准确。

步骤2：检查行波管。

检查所有行波管是否同时工作。设备在发射状态下进入自检界面查看行波管的螺线电流，记录下螺线电流为0的行波管号码。设备断电后，用手触摸行波管收集极，感觉是否发热。若无温度，则该行波管的灯丝断路，测量行波管高压电缆头A-C脚，正常为2.5Ω左右。

阵元失效会造成等效辐射功率降低，失效阵元数目越多，等效辐射功率降低越大。多波束发射阵中有几十支行波管，即使有部分失效，对等效辐射功率的影响不是很大。例如，对32阵元的发射阵，单管输出30 W，天线阵元增益6 dB的情况下，若有4支行波管失效，等效辐射功率仅下降1.2 dB左右。

在多波束发射阵的测试和使用中常出现行波管报警故障，为不影响测试和使用，可通过唤醒和屏蔽的办法使多波束发射阵带故障工作。

唤醒操作是对故障行波管提高其螺流保护门限，使得该行波管强行加电工作一段时间，以检查其经过唤醒操作后能否正常工作。唤醒操作应尽量少用，一旦唤醒失败，就不能再对该行波管进行加电，而应该屏蔽该行波管，否则容易引起行波管永久损坏。

屏蔽操作是切断故障行波管的高压供电，使得该行波管不影响高压电源对其他正常行波管的高压供电。当出现加发射报故（故障指示灯亮）的情况时，应及时检测发射阵行波管状态，关闭故障的行波管组，再执行螺线复位以保证多波束发射阵的测试和使用正常进行。

失效阵元的位置对波束宽度、第一副瓣电平和方向图形状有着明显不同的影响。失效阵元位于边缘，主瓣变宽，对副瓣电平和方向图形状的影响较小，如图5所示；失效阵元位于中间，主瓣变窄，副瓣电平提高，且副瓣一高一低交替出现，如图6所示。如果中间阵元失效，用边缘的正常阵元将其更换会改善辐射性能。

图5 多波束发射阵左边失效4个阵元的实测

图6 多波束发射阵中间失效4个阵元的实测

失效阵元的个数和位置对波束指向无影响，但失效阵元过多会造成波束分裂现象，指定方位获得的等效辐射功率急剧降低。

步骤3：检查大功率SPDT开关。

用矢量网络分析仪测试大功率SPDT开关及其后连接的稳相电缆、天线单元的驻波比。驻波比不符合技术要求会导致等效辐射功率降低，严重的会烧毁大功率SPDT开关及稳相电缆，通过逐级检测驻波比的方法可以很快确定故障点。

打开多波束发射阵上盖板，按照图7连接测试电缆和仪器。将图7中S11处断开，天馈线测试仪端口接0.5 m长射频电缆。

天馈线测试仪设置VSWR、S11和单通道测试等参数，并设置工作频率范围，按照仪器提示先后接入开路器、短路器和负载，完成校准。

将天馈线测试仪接入测试系统，采用指定参数干扰，设置干扰频率为干扰频段内的任意频率值，指定任一象限的方位进行干扰，观察驻波比曲线并记录。

操作显控台，转换QC信号，测试大功率开关的另一个射频支路，观察驻波比曲线。

驻波比测试对天馈线测试仪端口上的电缆要求较高，若发现驻波比测试值较大，需要先检查电缆和接头是否松动，方法是保持电缆和接头的位置不动，在图7中S11处接入50Ω负载，若VSWR为1，则测试系统没有问题。

图7 大功率SPDT开关检测框图

步骤4：检查激励级。

采用分级测试的方法检查激励级内器件工作状态。

步骤5：检查开关阵内的单刀多掷开关。

检查驻波比、插损和隔离度等。

步骤6：检查透镜。

检测透镜损耗，允许10%频率点超差。

3 结束语

多波束发射阵波束的形成及指向由透镜确定，可工作在很宽的频率范围；末级功率放大采用中功率宽带行波管，工作电压比较低，可以有效防止高压打火、击穿等现象；多波束发射阵既可以分时形成多个波束，也可以同时形成多波束，每个波束具有整个天线阵的增益。这些优点使得多波束发射阵在电子对抗领域得到普遍应用。

从可靠性设计理论的观点看，多波束发射阵等效于一个并联冗余系统，个别甚至几个阵元失效造成的等效辐射功率降低不多，但是其辐射方向图会发生畸变。各个阵元的幅相误差会影响等效辐射功率的幅度，增加阵元总数可以有效放宽误差范围，但是会增加成本，需要设计人员进行折中权衡。