极化方式及其在电子对抗中的选择运用

摘 要:极化是描述电磁波的重要参量,为了达到在电子对抗活动中能有效正确选择极化方式的目的,通过诱骗试验中极化方式的选择,得出水平目标会产生竖直方向的偏角,偏离的角度与极化工作方式紧密相关的结论。做了GPS干扰中极化方式选择的实验,获得了在远距离对弹载GPS实施干扰,垂直极化较圆极化好,而圆极化较水平极化好的结果。关键词:弹载GPS; 电子战; 极化方式; 电磁波

中图分类号:TN972-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)22-0120-03

Polarization Mode and Its Selection and Application in Electronic Countermeasure

HU Rui-qing1, HAN Yun2

(1. Teaching and Research Department, Naval Flying Academy, Huludao 125001, China;

2. Military Deputation Office Stationed in 461 Factory, Navy Equipment Department, Wuhan 430084, China)

Abstract: Polarization is an important parameter to describe the electromagnetic wave. In order to correctly choose the polarization mode in electionic countermeasure (ECM) activities, the conclusion that the deviation angle in vertical direction of a horizontal target is closely related to the polarization working mode is proposed by the selection of the polarization mode in a luring test. The polarization selection experiment for GPS jamming was performed, which successfully realized the interference for the missile-borne GPS in long-distance missile. The exeriment shows that the vertical polarization is better than circular polarization, and the circular polarization is better than horizontal polarization.Keywords: missile-borne GPS; electronic warfare; polarization mode; electromagnetic wave

0 引 言

天线的极化与所论空间方向有关,通常所说的天线极化是指最大辐射方向或最大接收方向的极化。所谓波的极化,是无线电波的特定场矢量的极化[1]。这个场矢量工程上通常是电场矢量。在空间固定点,单一频率的电场矢量的极化是指矢量端点运动轨迹的形状、取向和旋转方向。也就是说,极化是时变电场端点的运动状态。电场矢量端点轨迹的旋转方向规定为沿着波传播方向观察的旋转方向。据此波可被描述成线极化波、圆极化波或椭圆极化波。电场方向恒定的为线极化波,更复杂的天线辐射的场,其电场矢量将同时存在θ和φ分量。若这些分量的相位不同,则在空间某给定点上的合成电场矢量的方向,将以角速度ω旋转,总电场矢量的端点轨迹为椭圆形,此时场被称为椭圆极化。当电场分量具有相同的振幅时,椭圆退变成圆,成为圆极化。

1 极化分类

在垂直于传播方向的平面(称为极化平面)内,可以将电场矢量E(t)分解为2个互相垂直的分量,即:

E(t)=Ex(t)+Ey(t) (1)

式中:

Ex(t)=Excos(ωt+φx)

Ey(t)=Eycos(ωt+φy) (2)

式中:Ex和Ey为电场的x分量和y分量的复振幅值;φx和φy为初始相位。根据互相垂直的两场分量的振幅和相位关系,极化分为下述3类:线极化、圆极化和椭圆极化。

1.1 线极化

当Δφ=φy-φx=nπ,n=0,1,2…时:

E(t)=Excos(ωt+φx)+Eycos(ω t+φy)(3)

合成场的振幅为:

|E(t)|=|Ex|2+|Ey|2cos(ωt+φx) (4)

合成场矢量的方向与x轴的夹角α是一个常数:

α=±arctg(|Ex|/|Ey|)(5)

电场矢量端点的轨迹是一条直线,该直线与x轴的夹角α不随时间变化。这种极化波为线极化波[2]。

1.2 圆极化

当|Ex|=|Ey|=|E0|,且:

Δφ=φy-φx=+(1/2+2n)π(右旋)

-(1/2+2n)π(左旋) (6)

当n=0,1,2…时,合成场振幅为:

|E(t)|=E0(7)

合成场矢量与x轴的夹角:

α=arctg(Ex(t)/Ey(t))=(ωt+φx)(8)

合成电场矢量端点的轨迹是一个在垂直于传播方向的平面内的圆。这种极化称为圆极化[2]。沿传播方向观察,电场矢量顺时针旋转,称为右旋圆极化(式(8)中的负号),电场矢量逆时针方向旋转,称为左旋圆极化[3](式(8)中的正号)。

1.3 椭圆极化

如果|Ex|≠|Ey|且:

Δφ=φy-φx= +(1/2+2n)π (右旋)

-(1/2+2n)π (左旋)(9)

式中:n=0,1,2…。

或者:

Δφ=φy-φx≠±n/2π(10)

式中:n=0,1,2…;Δφ>0为右旋,Δφ<0为左旋。

不管|Ex|是否等于|Ey|,合成矢量端点的轨迹都是一个倾斜的椭圆。

2 诱骗试验中极化方式的选择

在反辐射导弹诱骗中,存在一种错误的认识,即为达到较为理想的诱骗目的,往往要求子站与主站工作方式一致,不管频率还是相位,尤其是极化信息更要一致,然而真是的情况并非如此,当子站的极化工作方式与主站不同时,诱骗效果最佳[4]。如果子站与主站极化工作方式相同,则偏角只能在子站与主站之间来回摆动,如果极化方式不同,则针对导引头的视在偏角就会偏离子站与主站的连线,在四周来回摆动,使得导引头无法捕捉到真实目标。基于上面的论述,从理论上做一推导,假设试验布局如图1所示。

图1 计算雷达目标角闪烁示意图

通过计算电磁波印亭矢量[5],求解诱骗角度:

Sav=12Re(E×H) (11)

当子站与主站相位、极化工作方式相同时,不妨假设电磁场为:

Ea=zE1ejkr1,Ha=y(1/η)E1ejkr1(12)

Eb=zE2ejkr2Hb=(b/η)E2ejkr2•

(ycos θ-xsin θ)(13)

诱骗角度为:

ε=arctan[E2sin θ/(E1+E2cos θ)](14)

若考虑回波相位造成的影响,不妨设:

Ea=E1Eb=E2ejφ(15)

应用相位梯度以及波应亭矢量可以求得[6]:

ε=arctansin θ(b2+bcos φ)1+b2cos θ+b(1+cos θ)cos φ(16)

式中:b=E2/E1

若考虑极化不同带来的影响,不妨设:

Ea=E1z Eb=E2ejφ(sin θ-cos θ)(17)

应用波应亭矢量可以求得水平面与竖直面偏角:

ε水平面=arctanE22sin θE21+E22cos θ

ε竖直面=arctan(E22sin θ)2+(E21+E22cos θ)2E1E2cos φsin θ(18)

从上述推导中可以看出,水平目标竟然会产生竖直方向的偏角,偏离的角度与极化工作方式紧密相关。

3 GPS干扰中极化方式的选择

GPS干扰已经成为电子战研究中的热门话题,然而干扰机工作极化方式的选择却没有得到人们的普遍重视[4]。通常弹载GPS天线为微带圆极化天线,当加载到导弹上时,由于天线工作主平面上,天线圆极化工作的E面H面针对远距离干扰机来说已变成了水平面,即对于远距离干扰机来说,圆极化工作方式的GPS天线可以认为在以水平极化的方式工作。如果采用水平极化工作方式的干扰机对GPS进行干扰就错了。

由于GPS天线通常为微带天线[7],而微带天线的辐射通常可等效为带线四周磁流产生的辐射。因此当电磁波针对天线水平进入时(如图2所示),垂直极化信号较水平极化方式强。更为重要的是,在内场仿真试验时,当GPS天线加载到金属物表面时,水平极化信号受到衰减,垂直极化的信号却得到了增强。原因是由于增大了金属表面,由于镜像的作用,水平极化的反射波,其极化方向与原入射电波极化方向相反,受到衰减;垂直极化的反射波极化方式相同,得到增强,如图3所示。

综上所述,在远距离对弹载GPS实施干扰,垂直极化较圆极化好,而圆极化较水平极化好。

图2 GPS干扰电波进入示意图

图3 电波反射示意图

4 结 语

正如人们熟知的,理论上雷达无法接收与其发射电磁波极化正交的电磁信号,左旋圆极化天线无法接收右旋圆极化波。在电子对抗中,极化选择是干扰与抗干扰的第一道门槛,通常扮演着极为重要的角色。空中飞行的目标其水平极化RCS远大于垂直极化,所以众多雷达选择水平极化工作方式[8];敌我识别器为与工作中的雷达减少互扰,通常选择垂直极化[9];机场的导航雷达通常选择圆极化工作方式等;所有的电子装备都存在极化方式的选择。极化是描述电磁波的重要参量,然而我们在极化域的研究还不够深入,对极化信息的利用还处在初级阶段。 美国人已经初步研制出基于目标极化散射特性的目标识别系统,通过测量反射波极化特性进行目标识别[10];通过变极化发射以及匹配接收的极化雷达研制也较为成功。电子战中极化信息的充分利用还有待于深入研究。

参考文献

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