振幅法與相位法測向?qū)拵炀€單元分析

劉治甬 陳舒

摘? 要：在無源定位測向系統(tǒng)中，測向天線單元主要用于接收未知的來波信號，天線單元直接影響整個測向系統(tǒng)的性能?；陔娮觽刹鞙y向系統(tǒng)中比幅比相測向技術(shù)，對兩種測向方法中幾種寬帶天線進行了實際測試。通過天線的實測數(shù)據(jù)分析了兩種方法中各天線的性能優(yōu)劣，以及天線對測向系統(tǒng)某些指標(biāo)的影響，在工程應(yīng)用中具有很高的實用價值。

關(guān)鍵詞：測向系統(tǒng);比幅;比相;寬帶天線

中圖分類號：TN820? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）15-0073-05

Abstract： In the passive location and direction finding system， the direction finding antenna unit is mainly used to receive unknown incoming signals. The antenna unit directly affects the performance of the whole direction finding system. Based on the amplitude and phase comparison direction finding technology in the electronic reconnaissance and direction finding system， several broadband antennas in the two direction finding methods are tested. Through the measured data of the antenna， the performance of each antenna in the two methods and the influence of the antenna on some indexes of the direction finding system are analyzed， which has high practical value in engineering application.

Keywords： direction finding system; amplitude comparison; phase comparison; broadband antenna

0? 引? 言

伴隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展，空間中充斥著各種電臺信號、手機信號、雷達信號等電磁波信號，我們有時需要確定電磁波的來源方向?，F(xiàn)在的空間測向信號環(huán)境相比以前發(fā)生了很大的變化。以前輻射源數(shù)量很少，工作時間長，工作頻率和工作參數(shù)沒有變化或變化不明顯，通信和雷達還有導(dǎo)航設(shè)備在各自不同頻段上工作，工作形式也有明顯區(qū)別。如此需要分別對每種信號進行處理，采用較窄的頻段和波束進行范圍搜索?，F(xiàn)代測向信號環(huán)境特點：輻射源的數(shù)量龐大，信號密度大，在同一時間測向系統(tǒng)就可能收到數(shù)十甚至上百個輻射源信號;輻射源的波形復(fù)雜多變，體制變多;輻射源不斷增加工作頻段，多個輻射源的工作頻段在越來越寬的范圍上形成交疊;輻射源信號在頻域上蜂擁而至，在時域上聚集甚至交疊在一起。所以，面對復(fù)雜的、密集的、多變的和交錯的信號環(huán)境，要求測向設(shè)備具有更強的信號分選能力，更強的抗干擾能力，更廣的接收和處理目標(biāo)信號范圍的能力。對于測向系統(tǒng)而言，天線的好壞決定著整個測向系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。因此，從振幅法和相位法兩種常用的測向技術(shù)中研究天線就變得非常重要。

1? 振幅法測向

1.1? 幅度比值的計算

振幅法測向是利用相鄰天線產(chǎn)生的多個有著相同方向圖的波束接收同一輻射源的信號，通過幅度大小對比來確定信號方向的測向方法。通過提取接收機前端的脈沖信息可以實現(xiàn)瞬時測向。

每個天線方向圖都有各自精確的數(shù)學(xué)描述，增益和方位的對應(yīng)關(guān)系可以用函數(shù)來近似描述。假設(shè)兩個彼此相鄰垂直的天線，方向圖交叉點幅度為3 dB，在天線頻率范圍內(nèi)，天線波束寬度等于傾角，天線方向圖保持不變，這樣可以用正弦函數(shù)近似表達方向圖函數(shù)。

其中一個天線的方向圖函數(shù)為：

F1（φ）=Acosφ

式中，A為天線最大幅度值（φ=0°時），φ為水平方向與入射信號方向的夾角。

相鄰的另一個天線的方向圖函數(shù)為：

F2（φ）=Bcos（φ+90°）=Bsin（φ）

式中，B為天線最大幅度值（φ=90°時）。為簡化模型，假設(shè)相鄰兩個天線增益為1，天線方向圖幅度大小相同。如果天線與輻射源信號夾角為φ，那么輻射源函數(shù)為：

S（t）=f（t）A（t）cosωt

式中，A（t）為脈沖包絡(luò)函數(shù);f（t）為輻射源閃變調(diào)制及掃描調(diào)制。在兩個相鄰天線通道上測得電壓為：

u1（t）=lg[f（t）A（t）Acosφ]

u2（t）=lg[f（t）A（t）Asinφ]

兩個電壓的幅值比為：

由上式可知，幅值比與輻射源的調(diào)制沒有關(guān)系，只與φ的大小有關(guān)。確定了這種對應(yīng)關(guān)系，只需根據(jù)相鄰天線接收信號的幅度之比就可以計算出輻射源的方位。

1.2? 寬帶天線測試數(shù)據(jù)

基于以上振幅法測向的基本原理，選取幾種寬帶天線進行實際測試。天線最高頻率為fmax，最低頻率為fmin，最高頻率與最低頻率之比為3：1。

1.2.1? 陣列天線

在現(xiàn)代無線電系統(tǒng)中，根據(jù)電磁波在空間相互干涉的理論，把一些有著同樣大小和結(jié)構(gòu)的天線按某一規(guī)律排列在一起，加以合適的激勵來得到預(yù)定的輻射特性，這類擁有多個輻射源的結(jié)構(gòu)稱為陣列天線。陣列天線可以得到符合實際要求的副瓣電平和波束寬度指標(biāo)，同時得到較強的方向性和較高的天線增益。陣列天線方向圖可以由陣因子和單元因子的乘積表示。單元因子由所用的單個陣元的指向、類型、激勵電流的幅度和相位以及在空間的位置所決定。陣因子由陣的間距、形狀、相位以及激勵電流的幅度所決定，跟單元的取向及形式?jīng)]有關(guān)系。圖1為一個擁有24單元陣列天線的方向圖，圖2為天線波束寬度，圖3為天線增益。

1.2.2? 多波束透鏡天線

多波束透鏡天線一般由前端介質(zhì)層和后端饋源陣列構(gòu)成，作用是同時在不同方位輻射多個天線波束。由于介質(zhì)層在結(jié)構(gòu)上具有對稱性，因此由后端饋源陣列產(chǎn)生激勵形成的天線波束具有相同方向圖特性。介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)與光學(xué)透鏡的特性很像，把后端饋源陣列按照一定結(jié)構(gòu)排列，不需要移動透鏡介質(zhì)層，就能利用聚焦特性，把不同方向渙散的能量變?yōu)槠矫娌ǎ纬啥鄠€天線波束，從而可以進行大范圍的波束掃描。饋源天線的工作帶寬可以代表多波束透鏡天線的工作帶寬，因此要想實現(xiàn)多波束透鏡天線的寬頻帶，只需要設(shè)計合適的饋源天線。圖4為一個24波束透鏡天線的方向圖，圖5為天線波束寬度，圖6為天線增益。

1.2.3? 寬帶喇叭天線組陣

由惠更斯原理可知，波導(dǎo)在其終端開口可以輻射電磁波。波導(dǎo)向自由空間輻射電磁波會由于阻抗不匹配形成比較大的反射，而且波導(dǎo)口面電尺寸較小，電磁波輻射很弱，因此不適合用作天線?？梢园巡▽?dǎo)的四周逐漸向外擴展，變成像喇叭一樣的形狀。這種形狀的喇叭天線由于增大了輻射口面尺寸，增強了與自由空間的匹配，因此向外輻射電磁波的特性變得很好。由多個喇叭天線在方位面組成的測向系統(tǒng)，可以同時覆蓋360°，達到很高的信號截獲概率。圖7為單個寬帶喇叭天線的方向圖，圖8為天線波束寬度，圖9為天線增益。

2? 相位測向法

2.1? 相位誤差分析

相位測向法又稱相位干涉儀測向，其原理是幾個分開的天線在接收同一輻射源的來波信號時存在波行程差，彼此間便產(chǎn)生了相位差。利用系統(tǒng)前端的幾個天線產(chǎn)生的相位差進行計算得出輻射源信號的入射方位角。為簡化分析，在幾個天線輻射的遙遠空間區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)可以看作是點源目標(biāo)，它輻射的電磁波可以認為是幅度大小相等，相位大小不等。

從最簡單的單基線干涉儀來看，它由兩組信道構(gòu)成。假設(shè)在遙遠空間區(qū)域內(nèi)，輻射源發(fā)出的信號與接收天線夾角為θ。信號分別入射兩個天線后形成的相位差為：

式中，l為兩個天線之間的距離;λ為入射電磁波的波長?？梢钥闯?，通過測向系統(tǒng)后端鑒相器讀出兩個天線接收到的相位差信息φ，再進行角度變換計算，就可以確定入射信號的方位角θ。

為找出測角誤差來源，從求偏導(dǎo)數(shù)入手，由于相鄰兩個天線之間的距離是不變的，那么在計算時可以忽略l的不穩(wěn)定瞬變因素（即dl=0），可以得出：

以增量表示，可得：

可以看出信號波長不穩(wěn)定量Δλ和相位測試誤差Δφ組成了測角誤差。顯然，誤差數(shù)值和方位角θ的大小有關(guān)，還和兩個天線之間的距離l有關(guān)。l的值越大，測角精度就越高。但是相位差φ是以2π為周期，如果超過2π，便出現(xiàn)模糊。可見要擴大干涉儀的無模糊視角，必須采用小天線間距l(xiāng)，這是和測角精度相矛盾的。若采用多基線干涉儀，視角范圍θ與測角精度之間的矛盾便能夠得以解決：測角精度由較長間距的干涉儀確定，視角范圍由較短間距的干涉儀確定。

2.2? 寬帶天線測試數(shù)據(jù)

基于以上相位干涉儀測向的基本原理，選取一種平面螺旋天線進行實際測試。天線最高頻率為fmax，最低頻率為fmin，最高頻率與最低頻率之比為3：1。平面螺旋天線是由螺旋線構(gòu)成的，平面阿基米德螺旋線表述為：

式中，a為螺旋線增長率，φ為螺旋線方位角，φ0為起始角，r0為螺旋線起始點到原點的距離，r為螺旋線上任意一點到極坐標(biāo)原點的距離。把φ0=0與φ0=π放入上式中，可以畫出兩組鏡像對稱的阿基米德螺旋線。在兩組阿基米德螺旋線的兩臂起始點進行對稱饋電，就形成了平面阿基米德螺旋天線。一般用印刷技術(shù)制作這類天線，為了擴展帶寬，進行阻抗匹配，通常使金屬螺旋線的寬度約等于兩條螺旋線間的距離，形成自補結(jié)構(gòu)。圖10為單個平面螺旋天線的波束寬度，圖11為天線增益，圖12為多個天線組陣后在干涉儀天線陣中的最大相位差值。

3? 特性對比分析

測角精度、角度分辨率和測向靈敏度是影響測向系統(tǒng)準(zhǔn)確性和可靠性的重要性能指標(biāo)。

3.1? 測角精度和角度分辨率

測角精度用測角誤差來度量，包括系統(tǒng)誤差和隨機誤差。角度分辨率是指能被分開的兩個輻射源最小角度差。為了實現(xiàn)對輻射源的精確定位、干擾引導(dǎo)以及威脅告警，必須有較高的測向精度。為了有效地稀釋高密度的信號流，必須有較高的角度分辨率。

通過分析可以看出，在振幅法測向系統(tǒng)中，要使測角精度和角度分辨率提高，就必須增加天線通道數(shù)量。但是增加天線通道數(shù)量就必須增加后端接收機的數(shù)量，測向系統(tǒng)成本和體積都會增加。在上述測試的三種天線中，陣列天線容易實現(xiàn)極窄波束，以提高天線的方向性和增益;易于實現(xiàn)賦形波束和多波束;易于實現(xiàn)波束的相控掃描和頻率掃描;易于實現(xiàn)低副瓣電平的方向圖，但陣列天線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積較大。多波束透鏡天線波束一致性較好，可以實現(xiàn)快速寬角掃描和多路切換等功能;成本低、頻帶寬、方向性好、旁瓣低、結(jié)構(gòu)緊湊，但增益和副瓣電平稍差。喇叭天線結(jié)構(gòu)最為簡單，制作成本低，工作頻帶廣，功率容量大，易于實現(xiàn)較高的方向系數(shù)和較小的副瓣，但是在有限的空間用數(shù)量龐大的喇叭天線組陣結(jié)構(gòu)上不容易實現(xiàn)。

在相位干涉儀測向系統(tǒng)中，測角精度和角度分辨率主要取決于最長基線的長度，因此用較少的天線單元就可以實現(xiàn)較高的測角精度和角度分辨率。阿基米德螺旋天線具有寬頻帶、小尺寸、圓極化、成本低、便于安裝以及易與載體共形等優(yōu)點，但由于其輻射是雙向的，因而增益較低。

3.2? 測向靈敏度

測向靈敏度是用來度量整個測向系統(tǒng)（天線和接收機）探測微弱信號的能力，即：

Ps min（dBm）=Pr min（dBm）-Gr（dB）

式中，Pr min為測向接收機靈敏度，Gr為偵察天線增益。由此可見，在接收機靈敏度相同的條件下，天線增益越高，系統(tǒng)越容易實現(xiàn)高靈敏度。那么在上述測試天線中振幅法測向天線優(yōu)于相位干涉儀測向天線。

4? 結(jié)? 論

本文通過實測數(shù)據(jù)進行分析，描述了在振幅法和相位法兩種測向系統(tǒng)中幾種天線各自的優(yōu)勢與劣勢。在實際選擇中，還需結(jié)合測向系統(tǒng)自身的用途、性能要求、有效空間以及成本等因素進行綜合考慮。

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作者簡介：劉治甬（1983—），男，漢族，四川宜賓人，工程師，本科，研究方向：天線技術(shù);陳舒（1985—），女，漢族，江蘇益寧人，高級工程師，本科，研究方向：電子對抗。

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