雷达对抗系统极化方式选择

雷达天线的极化方式是雷达的重要的技术指标，雷达天线极化方式的选择对雷达性能有着重要影响。由于天线接收来波的效率同天线与来波的极化匹配情况密切相关，研究雷达天线的极化方式对电子对抗侦察站有着重要意义。本文从雷达天线不同极化方式的性能对比出发，分析雷达极化方式的选择，进而想定我方雷达对抗（下称雷抗）系统的极化策略，最后给出雷抗系统设计的可行性意见。

雷达对抗系统极化方式选择

• 一、摘要
  • 雷达天线的极化方式是雷达的重要的技术指标，雷达天线极化方式的选择对雷达性能有着重要影响。由于天线接收来波的效率同天线与来波的极化匹配情况密切相关，研究雷达天线的极化方式对电子对抗侦察站有着重要意义。本文从雷达天线不同极化方式的性能对比出发，分析雷达极化方式的选择，进而想定我方雷达对抗（下称雷抗）系统的极化策略，最后给出雷抗系统设计的可行性意见。
• 二、天线的极化
  • 天线的极化是以电磁波的极化来确定的。电磁波的极化方向通常是以其电场矢量的空间指向来描述的。电磁波的极化是指：在空间某位置上，沿电磁波的传播方向看去，其电场矢量在空间的取向随时间变化所描绘出的轨迹。如果这个轨迹是一条直线，则称为线极化；如果是一个圆，则称为圆极化；如果是一个椭圆，则称为椭圆极化。图1所示为电磁波电场矢量取向随时间变化的典型轨迹曲线。
  • (a) 线极化 (b) 圆极化或椭圆极化 图1 空间某点处平面电磁波电场矢量取向随时间变化及极化轨迹
  • 采用极化特性来划分电磁波，就有线极化波、圆极化波和椭圆极化波。线极化和圆极化是椭圆极化的两种特殊情况。圆极化和椭圆极化波的电场矢量的取向是随时间旋转的。沿着电磁波传播方向看去，其旋向有顺时针方向和逆时针方向之分。电场矢量为顺时针方向旋转的称为右旋极化，逆时针方向旋转的称为左旋极化。
• 三、极化方式的选择
  • 雷达发射电磁波是为了探测，传输能量，选择不同极化方式是为了减小能量的损耗，比如说云雨天气对圆极化电磁波的损耗小，在气象雷达、卫星通讯等行业应用的非常广泛；在雷达行业，目标对不同极化的响应不同，反射能量不同，也会根据不同的应用场景选择不同的极化方式。
  • 对于圆极化天线来说，无论收发天线的极化方向如何，感应出的信号都是相同的，不会有什么差别。因此圆极化天线的优势在于接收时不用调整极化角，能够有效克服由反射引起的多径效应，但同时也使得系统对天线的方向敏感性降低。在一般的固定雷达中多采用线极化天线，在电子对抗和侦察设备中或通讯设备处于剧烈摆动和高速旋转的飞行器上等应用中则可采用圆极化天线。椭圆极化是一种非完纯的极化方式，它可以分解为两个幅度不同、旋向相反的圆极化波，或分解为两个幅度和相位均不相同的正交线极化波。故通常不采用椭圆极化天线，只有在圆极化天线设计不完善时才出现椭圆极化天线。在线极化中，水平极化较比垂直极化有地面反射波影响小，抗干扰能力强的优点；而垂直极化相较水平极化接收难度小，适合移动接收信号。
  • 雷达 极化方式 功能 搭载平台 平台举例 AN/SPS-48系列 水平极化/垂直极化 对空搜索 航母、巡洋舰、驱逐舰 Enterprise级航母、Truxton号巡洋舰、Kennedy航母、Nimitz 级航母 AN/SPS-49系列 水平极化 远程对空搜索 航母、巡洋舰、驱逐舰、护卫舰 Enterprise级航母、Hayler号驱逐舰、Capable、 John F Kennedy号航母、Nimitz 级航母 AN/SPS-55 圆极化/ 线级化 对海搜索、 导航 导弹巡洋舰、驱逐舰、护卫舰 Ticonderoga级巡洋舰、Virginia导弹巡洋舰、Perry级护卫舰 AN/SPS-64 水平极化 对海搜索、导航 登陆舰、巡逻艇、猎雷艇、驱逐舰、布雷舰、扫雷舰、航母 Hawk/John Kennedy号航母、Nimitz级航母、Ticonderoga级巡洋舰、Arleigh Burke和Spruance级驱逐舰 AN/APS-134(V) 垂直极化 机载监视 反潜机、巡逻机 P-3C巡逻机 AN/APS-145 水平极化（主天线） 垂直极化（IFF天线） 预警与控制 预警机 E-2系列预警机、P-3预警控制飞机 表1 美日韩一些典型雷达的天线极化方式
  • 由表可见天线极化方式的选择呈现出一定的规律性，我方重点接收的敌大功率雷达以线极化为主。但是极化方式并无绝对优劣之分，同用途的不同雷达可以使用不同的极化方式，甚至同一种雷达也可以使用不同的极化方式。所以雷抗系统想要简单的选择和雷达信号一致的极化方式非常困难。
• 四、天线极化损失
  • 在雷达信号传输过程中，只有在收、发天线的极化匹配时，才能获得大的功率传输，否则会出现极化损失。极化损失系数是指接收天线的极化与来波极化不完全匹配时，接收功率损失的多少，可定义为：接收到的功率与入射到接收天线上的功率之比。不同极化天线间的极化损失系数导出过程冗长，这里直接给出常用结果。
  • 发射天线 接收天线 极化损失系数 K 垂直极化/水平极化 垂直极化/水平极化 1 垂直极化/水平极化 水平极化/垂直极化 0 垂直或水平极化 圆极化 1/2 左/右旋圆极化 左/右旋圆极化 1 左/右旋圆极化 右/左旋圆极化 0 垂直极化/水平极化 45°斜极化 1/2 左/右旋圆极化 45°斜极化 1/2
  • 表2 收发天线为各种典型极化时的极化损失系数
• 五、雷抗系统极化方式选择
  • 雷抗系统根据雷达目标极化方式不同，接收天线尽可能极化方式与雷达发射天线极化方式相同。但由于雷达目标采取了多种不同的极化方式，雷抗系统极化方式选择较为困难。
  • 雷抗系统可能采取的极化方式如下：
    • 采用垂直和水平的双极化天线
      • 该方法既保证了大的功率传输，又能够同时对抗多种极化方式的雷达，不会因为方法三旋转等过程给侦收带来的困难。而且双极化天线作为一种新型技术，正在雷达领域有着愈发广泛的应用，所以虽然该极化方式在雷抗系统中无运用，但其极有可能成为未来雷抗系统极化方式的一个重要发展方向。
    • 适应极化；
      • 采用旋转天线、切换溃源等方式改变接收天线线极化极化角，使之同目标雷达信号匹配，本文称之为适应极化；该方法保证了大的功率传输，也可以对抗多种极化方式的雷达，实际工作过程中可以交叉使用水平极化和垂直极化搜索敌方雷达，发现敌目标后，再采用与目标匹配的极化方式进行跟踪搜索。但是带来了几个问题：1.系统设计难度大，天线成本高。为保证雷抗系统作用距离，其天线口径通常较大，进行旋转的操作难度较大；而对于子天线较小的阵列天线来说，天线旋转过程中可能对阵列天线间距产生细微变化，不利于天线波束校正。2.由于对信号的判断以及天线旋转带来的时间损耗，系统侦收速度下降。
    • 采用45°斜极化方式；
      • 由表2可得，45°斜极化对敌方任何极化方式均可接收，但也都有1/2的功率损失，所以该方法不会遗漏目标信号，功率损失也在可接受范围内。此外该方法实现简单、设计过程可借鉴经验丰富，故在雷抗系统中普遍采用斜极化方式。
    • 匹配极化
      • 选择同重点目标匹配的极化方式，可以无损失的接收特定的雷达信号。但是由于敌方雷达采取了多个不同的极化方式，该方法显然会遗漏很多不同极化方式的目标信号，故单独使用该方法价值不高。笔者以为采用该方法时可以结合其它方法，以在保证接收目标种类的情况下，对重点目标进行接收。