電掃描比幅無線電測向技術(shù)研究

艾爾肯·艾則孜

(烏魯木齊職業(yè)大學(xué)，烏魯木齊830002)

1 引言

無線電測向的目的是利用無線電波的傳播特性來測定任意電磁輻射的示向線的過程，在無線電管理中是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)手段，是為無線電管理執(zhí)法行政管理提供依據(jù)的主要措施。目前，無線電業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，對無線電管理的要求也越來越高，測向機(jī)在無線電管理中的作用和地位也越來越大。無線電測向機(jī)是一種探測設(shè)備，可以在理論情況下測定電磁波的到達(dá)方向或相對于某一參考方向的方位角。根據(jù)技術(shù)體制的不同，無線電測向技術(shù)分為兩個(gè)基本領(lǐng)域:幅度測向系統(tǒng)和相位測向系統(tǒng)。本文將對幅度測向系統(tǒng)中的比幅發(fā)法測向技術(shù)做相關(guān)研究。

2 無線電測向技術(shù)相關(guān)研究

2.1 基本測向原理

根據(jù)電磁波的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動狀態(tài)，可以將測向的基本方法分為3類:

第一類:極化測向法。它是在一個(gè)觀察點(diǎn)，同時(shí)測量電場和場強(qiáng)方向，也即其極化方向。。在知道了場強(qiáng)方向后，就可以根據(jù)電磁波的相關(guān)性質(zhì)來確定電波的傳播方向，也叫場強(qiáng)法。

第二類:等幅等相位面法。它是找出波前的空間位置，也即場強(qiáng)的等幅等相位面的位置，再求其法線方向，由此來推斷波前的傳播方向。確定等幅等相位面的位置的方法有許多，可以根據(jù)電磁波性質(zhì)，觀察開設(shè)于不同觀察點(diǎn)的三幅或者多幅天線單元接受信號的幅度、相位、時(shí)間和周期關(guān)系，通過各天線單元接收信號之間上述量的關(guān)系，求得波前及法線方向，也即來波方向，也叫波前法。

第三類:綜合法。它是利用電磁波在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)的特性來確定信號的方向的方法。

2.2 無線電測向機(jī)技術(shù)指標(biāo)

通常把能夠用來進(jìn)行無線電測向的設(shè)備，稱為無線電測向機(jī)。其組成結(jié)構(gòu)見圖1。

無線電測向系統(tǒng)是一個(gè)能量變換器，可以將電磁波的電磁能變?yōu)殡娔?。一般來說，它是一種幅度敏感器。天線對測向機(jī)的性能油重要意義，它和電波性質(zhì)共同決定測向的實(shí)現(xiàn)方法。整個(gè)無線電測向機(jī)的技術(shù)指標(biāo)有:

圖1 測向機(jī)組成

1)精確度，一般測向機(jī)的精確度子1°～3°。通常的標(biāo)稱精度存在兩個(gè)系統(tǒng)誤差分量:方位誤差和頻率誤差。方位誤差取決于信號的入射方向，頻率誤差是一種測向誤差，是所選頻率的函數(shù)。整體而言，系統(tǒng)精確度是在信號有足夠的信噪比時(shí)定義的，一般精確度不考慮由傳播介質(zhì)和多徑效應(yīng)引起的誤差。

2)靈敏度，是測向機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，尤其是對無線電監(jiān)測業(yè)務(wù)。一般情況下，測向機(jī)靈敏度與觀測時(shí)間密切有關(guān)，通常與特定的方位角波動一起定義。測向機(jī)靈敏度數(shù)值與D/λ(D為測向天線直徑，λ為接受信號波長)、信噪比、有效積分時(shí)間和選擇帶寬成反比。

3)抗波前失真性能(相干干擾)。無論采用何種測向技術(shù)，測向機(jī)都是從電磁場中獲得方位信息，通常是假定電磁場均勻無失真，在此種假想下，波前為平面，等相位線和等幅度線均為平行的直線，如圖2所示。

4)去極化影響，是指測向天線和入射波間的極化平面的偏移。測向機(jī)的極化影響主要取決于所使用的天線系統(tǒng)及相應(yīng)的測向方法。

5)同信道干擾影響，是指在所選帶寬內(nèi)，除有用信號外，如果同時(shí)還收到其它信號所產(chǎn)生的干擾。要求測向機(jī)能夠辨別并認(rèn)識同信道干擾造成的錯(cuò)誤方位角，有時(shí)候還要求，在有同信道干擾或認(rèn)為干擾的情況下，測向機(jī)也能夠識別取得每一個(gè)信號方位角。

圖2 窄/寬孔徑測向天線

3 電掃描比幅測向

比幅測向，又可以分為最大信號法、最小信號法、比較法和綜合法。其機(jī)理都是通過接收天線位置與波前的關(guān)系獲得示向度。

3.1 最大信號法

它是利用具有強(qiáng)方向性的天線進(jìn)行測向，此方法無論在水平或者垂直方向上，都在某個(gè)角度有增益最大點(diǎn)，且隨來波方向偏離這個(gè)角度的變化，增益逐漸下降，在其余角度上增益較小。簡言之，就是隨著來波方向的不同，也就是角度的不同，接收到的信號幅度也不同。測向時(shí)，變化天線位置，改變天線方向圖最大指向，比較天線在不同位置測向機(jī)輸出信號的大小，當(dāng)輸出幅度最大時(shí)，天線方向圖主辯徑向中心軸與來波方向一致，從而測得來波方向，其與參考方向的夾角即是測得的方位角。

3.2 最小信號法

它是利用天線極坐標(biāo)方向圖具有一個(gè)或幾個(gè)最小值的特性進(jìn)行測向的，天線輸出最小值時(shí)，天線方向圖零點(diǎn)指向即為來波方向。測向時(shí)，變化天線位置，比較天線在不同位置測向機(jī)輸出信號的大小，直至找到測向機(jī)輸出信號最小的天線位置，這時(shí)波的波前法線與天線接收最小信號時(shí)指向一致，參考方向與天線的最小值指向的夾角，就是來波方位角。最小信號法的典型實(shí)用設(shè)備是人工或自動聽覺小音點(diǎn)測向機(jī)，它們只能對地面來波方向進(jìn)行測向。常用的天線形式為單環(huán)天線、間隔環(huán)天線和可旋轉(zhuǎn)的愛德考克天線。

3.3 比幅測向法

它是利用兩幅或多幅結(jié)構(gòu)和電氣性能相同的天線實(shí)施測向的。這種天線的典型代表就是愛德考克天線，其接收信號示意圖如圖3所示。其方向函數(shù)推導(dǎo)為:

電波到達(dá)A和B的兩個(gè)波前相差為:

圖3 愛德考克天線接收信號示意

求其“和”與“差”得:

在式(5)與(6)中，經(jīng)過分析可以看到，當(dāng)噪聲對兩個(gè)信號幅度影響不相同時(shí)，求得的方向夾角將不可信。在最小信號法中，不可靠的角度范圍有下式?jīng)Q定:

上式說明在最大法中，一般情況下E/R＞1不可靠的角度范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在最小信號測向法中的不可靠角度范圍。顯然，最小信號法有較高的測向精度。比幅測向法的兩個(gè)或多個(gè)天線單元按照一定要求進(jìn)行安裝，通常是對稱的，安裝好的天線的極坐標(biāo)方向圖具有交疊部分。

3.4 綜合法

綜合法是利用最大和最小測向法，以及天線陣測向法的測向機(jī)制綜合進(jìn)行，其代表為烏蘭韋伯測向機(jī)，在此不做重點(diǎn)闡述。

4 結(jié)束語

本文討論了無線電測向相關(guān)技術(shù)。比幅測向，又可以分為最大信號法、最小信號法、比較法和綜合法。其機(jī)理都是通過接收天線位置與波前的關(guān)系獲得示向度，重點(diǎn)對比幅測向中方位的計(jì)算方法進(jìn)行推導(dǎo)。

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