小型化抗干擾導(dǎo)航天線研究

商黎榮 高飛 俞根明

摘 要：由于環(huán)境中的電磁干擾，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力成為判斷其有效性的重要指標(biāo)。基于天線陣列，采用自適應(yīng)導(dǎo)航干擾防護(hù)技術(shù)，這類天線存在孔徑大的缺點(diǎn)。為解決導(dǎo)航系統(tǒng)中接收機(jī)易受干擾的問題，本文研究抗干擾天線陣。基于電磁波干擾的天線陣模型的性質(zhì)，研究了基于天線理論的陣列微型化設(shè)計(jì)。比較目前的抗干擾導(dǎo)航技術(shù)，分析了相關(guān)理論和天線陣的輻射特性，結(jié)合干擾原理，研究了小型化抗干擾技術(shù)，為天線設(shè)計(jì)的小型化提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：小型化抗干擾;導(dǎo)航天線;研究

中圖分類號(hào)：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為各種天氣條件下提供高精度的時(shí)間和空速等信息，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于國家機(jī)關(guān)事業(yè)的運(yùn)作安全具有重要的意義。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于接收機(jī)信號(hào)功率很低，在設(shè)備運(yùn)行中對(duì)信號(hào)較為敏感，自適應(yīng)干擾抑制已成為導(dǎo)航接收機(jī)不可或缺的功能。隨著我國科學(xué)技術(shù)無線電工程的發(fā)展，各種電子設(shè)備得到了高效的使用和集成，接收機(jī)應(yīng)盡可能做到小而輕。在自適應(yīng)干擾保護(hù)中，增加天線數(shù)量有利于抑制更多干擾信號(hào)。因此，進(jìn)一步研究小型化抗干擾導(dǎo)航天線，以在有限的空間內(nèi)容納更多的元件。

1 極化域抗干擾導(dǎo)航天線技術(shù)應(yīng)用

1.1 抗干擾導(dǎo)航天線設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)和導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，各種導(dǎo)航天線不斷涌現(xiàn)。為提高接收機(jī)的抗噪能力，多頻導(dǎo)航天線可防止極化場(chǎng)干擾。多頻抗干擾極化天線的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了多頻諧振，頻率覆蓋GPS和北斗衛(wèi)星，在使用中可以接收多個(gè)導(dǎo)航信號(hào)。當(dāng)某個(gè)頻段故障時(shí)，其他系統(tǒng)可以不受故障設(shè)備的影響，仍然提供導(dǎo)航定位，天線可以抑制極化干擾。因此，可以有效地提高導(dǎo)航適應(yīng)性。導(dǎo)航天線結(jié)構(gòu)緊湊，滿足小型化的使用要求。分析極化場(chǎng)抗干擾功能的導(dǎo)航天線的設(shè)計(jì)，全面了解它的性能及其抗極化場(chǎng)干擾。支持同時(shí)接收導(dǎo)航頻率的信號(hào)，滿足多頻導(dǎo)航天線要求，簡(jiǎn)化天線的復(fù)雜度和減小體積。根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航天線型號(hào)和性能要求，構(gòu)建在極化場(chǎng)具有抗噪的導(dǎo)航天線，多層結(jié)構(gòu)天線可以滿足要求。得益于非金屬外殼的設(shè)計(jì)，優(yōu)化天線模型，提高了不同堆疊的絕緣性。通過短路觸點(diǎn)的設(shè)計(jì)，長(zhǎng)同軸觸點(diǎn)感抗降低，多個(gè)堆疊絕緣得到改善[1]。

1.2 抗干擾性能

極化區(qū)多頻抗干擾天線提高抗干擾導(dǎo)航接收機(jī)的性能。在多個(gè)頻段諧振，可以有效地覆蓋多個(gè)系統(tǒng)，以此來實(shí)現(xiàn)頻率分集的最佳使用效果。天線雙圓極化激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)干擾的自適應(yīng)衰減。對(duì)于現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)，接收到的信號(hào)是右旋圓極化波，抗干擾的天線利用圓極化區(qū)分信號(hào)和干擾。右激勵(lì)接收衛(wèi)星信號(hào)，左圓極化激勵(lì)接收不包含有用信號(hào)。通過調(diào)整天線左圓極化中干擾的幅度來達(dá)到抑制干擾，使右圓極化干擾反相疊加。對(duì)于極化電磁波的實(shí)際工作中，垂直和水平極化分解來自正交的極化分量，以此來確定極化角來表征信號(hào)的特性。理想情況下，信號(hào)為右旋圓極化波，天線也具有右旋圓極化，接收天線的極化與入射角有關(guān)，水平方向的極化特性較弱。對(duì)于小角度衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，接收天線與信號(hào)通常存在極化失配，分析導(dǎo)航信號(hào)和天線的極化，分析極化失配對(duì)干擾保護(hù)影響。在實(shí)際應(yīng)用中，天線的雙極化分量并不完全正交，確定雙極化天線的極化角，分析天線極化不正交引起的誤差。由于導(dǎo)航信號(hào)為右旋圓極化波，右旋信道作為參考信道，對(duì)不同極化輸入干擾信號(hào)進(jìn)行仿真，極化區(qū)抗干擾天線可抑制干擾。信號(hào)與天線的主極化有偏差，雙極化不完全正交。因此，在使用的理想條件下，子天線具有理想極化，對(duì)于天線的主極化右旋圓極化，天線的輔助極化為左旋圓極化。當(dāng)極化角為45度時(shí)，右旋圓極化電磁波，當(dāng)干擾偏振角為45度時(shí)，干擾和信號(hào)具有相同的偏振模，主極化和輔助極化無法有效地進(jìn)行識(shí)別干擾。因此，如果干擾極化為-45度時(shí)，主極化此時(shí)可以與電磁波發(fā)生正交，主極化不包含干擾，不需要抗干擾和信號(hào)，噪聲也非常小。當(dāng)極化為線極化波時(shí)，去除干擾后信噪增益達(dá)到最大值，雙極化天線達(dá)到最大的干擾防護(hù)效果。由于線極化的干擾，左右圓極化天線的功率等于干擾的一半，噪聲功率抵消后，噪聲功率疊加。當(dāng)干擾為線極化電磁波時(shí)，信噪比比輸入噪聲比低。當(dāng)干擾接近噪聲功率時(shí)，將平衡噪聲和干擾抑制對(duì)信噪比的影響。存在主極化與信號(hào)的極化不一致的情況，微帶天線圓極化軸的比值較弱，偶極子天線的抗干擾與理想情況略有不同。在理想情況下，當(dāng)電磁波的極化角為-45度時(shí)，由于主極極化陡峭，認(rèn)為它是左圓極化，天線的主要極化成分不含干擾，對(duì)應(yīng)的信噪比小。因此，如果干擾與信號(hào)的極化匹配，此時(shí)的偶極子天線無法全面地識(shí)別有效的信號(hào)和其他干擾，同時(shí)信噪比趨于零。在實(shí)際應(yīng)用中還存在普遍的情況，即雙極化天線極化正交不理想。當(dāng)電磁干擾波方向與主極化垂直時(shí)，主極化分量不受阻礙，當(dāng)有用信號(hào)與電磁波相同時(shí)，會(huì)發(fā)生抑制錯(cuò)誤。在仿真分析下，偶極天線可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。對(duì)于噪聲比大的線極化噪聲干擾，雙極化天線達(dá)到保護(hù)抗干擾的效果[2]。

2 容性加載小型化導(dǎo)航天線

2.1 容性加載導(dǎo)航天線設(shè)計(jì)

導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)接收更多信號(hào)，以此來實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確定位?；谛l(wèi)星位置不斷變化，接收端圓極化天線的軸比對(duì)極化匹配的特性有很大的影響。為了在小型化中增加軸比波瓣的寬度，將兩對(duì)電偶極子放置在方形結(jié)構(gòu)中，保持極子距離近似。為了縮小天線尺寸，用彎曲電偶極子代替線性極子，縮小天線的設(shè)計(jì)尺寸，擴(kuò)大軸比波瓣。為了解決天線存在的雙向輻射問題，需要用等效極子代替電偶極子，引入加載等效磁偶極子，以實(shí)現(xiàn)軸比寬度的小型化和擴(kuò)展。通過制作矩形槽來增加路徑，實(shí)現(xiàn)小型化，并在相同尺寸下將頻率降低。為了進(jìn)一步將天線頻率降低，天線優(yōu)化了負(fù)載通信線路的閉合，采用電容T型短路，將天線的頻率降低，減小了天線的尺寸。盡管天線尺寸較小，但在范圍內(nèi)天線的增益仍超過3.4dB，在范圍內(nèi)的輻射效率超過72%，滿足了天線軸比要求。緊湊型圓極化天線滿足系統(tǒng)對(duì)接收天線的要求[3]。天線阻抗帶寬可以覆蓋工作頻率范圍，具有良好的通信特性。

2.2 抗干擾導(dǎo)航天線陣列

由于導(dǎo)航信號(hào)地表微弱，并且比接收機(jī)噪聲還要低，復(fù)雜電磁環(huán)境中射頻干擾信號(hào)的電平要比導(dǎo)航信號(hào)高得多。在強(qiáng)干擾和弱信號(hào)環(huán)境下，容易出現(xiàn)誤檢測(cè)，需要采用有效的抗干擾技術(shù)。為測(cè)試小型導(dǎo)航天線在干擾抑制中的應(yīng)用，以天線為單元組成陣列，結(jié)合自適應(yīng)干擾，將設(shè)計(jì)的天線轉(zhuǎn)化為圓形點(diǎn)陣，分別是均勻分布。由于天線采用了導(dǎo)航天線的微型設(shè)計(jì)，天線陣列的尺寸很小，抗干擾格柵的效果會(huì)降低。在干擾防護(hù)中，天線陣列包含陣列元素，假設(shè)陣列的所有元素同質(zhì)，陣列元件都連接到接收通道、信號(hào)降頻轉(zhuǎn)換和濾波，以此來得到二次分量。自適應(yīng)干擾技術(shù)是根據(jù)接收信號(hào)序列的二次統(tǒng)計(jì)特性，計(jì)算出最優(yōu)序列向量，使序列適應(yīng)干擾，以確保接收到所需信號(hào)。該算法選擇最佳權(quán)重，最小化陣列避免向量的權(quán)重添加一定的限制。應(yīng)用信號(hào)失真，基于建模將天線單元模型引入。建模時(shí)采用全波建模，仿真的定向模型在干擾方向都產(chǎn)生零，陣列模型深度相比，結(jié)果通常具有一致性，差異主要是由于陣列之間的關(guān)系，陣列模型在導(dǎo)航信號(hào)方向增益僅比最大增益小，因天線陣列能夠抑制干擾信號(hào)[4]。84FD1F7B-10CA-48F5-B4BD-8A446B8D99D8

3 耐高溫導(dǎo)航天線

3.1 耐高溫導(dǎo)航天線設(shè)計(jì)

多頻導(dǎo)航天線極化干擾會(huì)在極化區(qū)產(chǎn)生干擾，防止抗干擾受天線極化特性的限制，為了提高天線的抗噪效率，陣列常用于抗干擾領(lǐng)域，利用天線陣列特性，實(shí)現(xiàn)空間濾波的效果。結(jié)合導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)生成天線陣列約束條件，寬波束圖的形成作為自適應(yīng)參考波束，以便信號(hào)的正常接收。自適應(yīng)干擾適應(yīng)的干擾量受陣元數(shù)量的限制。使用天線抑制干擾，分析對(duì)零模式影響，以及抑制對(duì)干擾的影響，找到合適的陣列結(jié)構(gòu)，使零點(diǎn)時(shí)陣列模型的零域變小，提供衛(wèi)星信號(hào)接收。當(dāng)天線陣小型化時(shí)，對(duì)陣元空間進(jìn)行壓縮，分析由此引起的徑寬度的曲率程度。陣列單元塊的工作頻率覆蓋了系統(tǒng)頻點(diǎn)，每個(gè)單元接收電磁信號(hào)，通過射頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。信號(hào)處理利用陣列單元接信號(hào)的相關(guān)性評(píng)估信息。信號(hào)處理根據(jù)信號(hào)方向和干擾方向，產(chǎn)生數(shù)字波束以增加信號(hào)的功率，并在干擾設(shè)置零點(diǎn)以抑制干擾。由于在高速飛行時(shí)摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，天線必須在400℃下長(zhǎng)期工作，導(dǎo)航系統(tǒng)采用耐高溫天線。耐高溫導(dǎo)航天線確?？稍?00℃下正常運(yùn)行，滿足高速飛行器環(huán)境要求，保證天線結(jié)構(gòu)在高溫下的穩(wěn)定性，保證電氣特性能適應(yīng)溫度變化，減少天線對(duì)飛行器動(dòng)力學(xué)的影響，設(shè)計(jì)應(yīng)具易于著陸的特性，微帶天線可以滿足要求，因此應(yīng)用廣泛。制造微帶天線在介質(zhì)基板上安裝天線塊和饋線網(wǎng)，要選擇表面光滑的基材，在對(duì)基材進(jìn)行粗磨精磨后鍍上金屬鉻，再通過蒸發(fā)鍍上金屬膜，金屬膜使用銅或銀，根據(jù)天線設(shè)計(jì)對(duì)金屬薄膜光電鍍。根據(jù)天線設(shè)計(jì)模型制作底圖，根據(jù)底圖使用電阻制作電阻的模型，選擇合適的蝕刻速度，完成整個(gè)過程。對(duì)于天線在400℃等環(huán)境下，由于銅板和介質(zhì)板銅箔熱膨脹系數(shù)不同，內(nèi)應(yīng)力會(huì)不斷增大，造成銅箔彎曲甚至脫落，金屬膜與介質(zhì)基板附著力明顯降低。高溫天線要解決的問題是改進(jìn)基礎(chǔ)構(gòu)件的生產(chǎn)制造工藝，提高天線的對(duì)高溫的有效自適應(yīng)性。由于基板特性在溫度下不是靜態(tài)的，相關(guān)材料會(huì)隨著溫度升高，基板會(huì)降低天線的實(shí)踐使用特性。隨著環(huán)境溫度升高，基板的介電常數(shù)增大，損耗角正切增大。微帶天線諧振點(diǎn)隨著溫度的升高而降低，分析天線諧振頻率和損耗角正切之間的關(guān)系，天線帶寬隨著溫度的升高而降低。溫度變化對(duì)天線形狀影響很小，溫度的變化會(huì)扭曲圓極化軸的比率。微晶玻璃和石英陶瓷參數(shù)隨溫度的變化而變化，介電常數(shù)正切隨溫度的不斷升高而繼續(xù)增加。因此，在具體的設(shè)計(jì)小型化天線時(shí)，對(duì)于相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)需要有足夠的設(shè)計(jì)余量，以此來有效保證相關(guān)構(gòu)件可以正常地在工作溫度范圍內(nèi)使用。耐高溫天線針對(duì)高溫對(duì)天線的影響，天線基材采用耐高溫陶瓷材料，底座采用不銹鋼材料，提高耐高溫性，可以承受1000℃的高溫而不會(huì)損壞。加工組裝不需要焊接，材料和底座以電源點(diǎn)為基礎(chǔ)，用螺釘固定，以確保組件在高溫下可靠的電氣連接，線輸出使用反極性連接器。對(duì)于小型化天線設(shè)計(jì)需要考慮寬帶、短路結(jié)構(gòu)和平衡溫度對(duì)天線功能使用性能的正常影響?；牡徒殡娞沾苫逶谔炀€設(shè)計(jì)中的合理使用，可以有效地?cái)U(kuò)大天線的使用帶寬，科學(xué)地保證帶寬在特定溫度環(huán)境下的余量。降低同軸電源觸點(diǎn)的電感，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配特性。預(yù)調(diào)耐高溫天線，消除溫度升高導(dǎo)致諧振點(diǎn)頻率降低的影響。導(dǎo)航天線提供右圓極化，覆蓋上半球空域，衛(wèi)星導(dǎo)航高溫穩(wěn)定陣列，每個(gè)單元獨(dú)立接收GPS頻率范圍的信號(hào)。天線由陶瓷整流罩、金屬固件，散熱器由微晶陶瓷制成，介電損耗具有良好的透波性能?？奂身攲雍偷讓咏M成，頂層代表外部框架，用于固定整流罩，底層是陣列基礎(chǔ)，內(nèi)置圓形凹槽，凹槽填充耐高溫材料，外金屬框架的導(dǎo)熱。貼片由陶瓷基板、焊盤、電源引腳組成。鎖定銷連接到電源觸點(diǎn)，達(dá)到阻抗匹配特性。使用對(duì)角線截面的方法來實(shí)現(xiàn)圓偏振，通過外部同軸電纜連接，陣列天線由微帶線組成，圍繞天線陣列對(duì)稱分布。由于加工和組裝精度誤差，物理測(cè)試的諧振頻率與仿真不同。在邊緣的中間增加了可調(diào)設(shè)計(jì)，以調(diào)整物理引起的諧振頻率偏差。微帶天線的縫隙根據(jù)測(cè)得的諧振頻率調(diào)整。鎖銷放置在微帶線中間，將陶瓷基板固定在底座上，降低電源引腳的電感，獲得阻抗匹配特性。切割微帶貼片相對(duì)角激發(fā)正確的圓極化，電源位置在天線正下方時(shí)，小心切割天線的左下角，激發(fā)出右圓極化波[5]。

3.2 陣列天線抗干擾性能

對(duì)于導(dǎo)航天線陣列信號(hào)處理器接收來自不同部分的信號(hào)，在實(shí)際使用中具有提取信號(hào)的特征，并可以有效地評(píng)估信道參數(shù)。通過參數(shù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，調(diào)整陣列幅特性，使信號(hào)滿足疊加，提高信號(hào)的信噪比，相應(yīng)的障礙物被去除，達(dá)到抑制的效果。天線陣列濾波效率是陣列的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是天線陣列的限制因素，決定了對(duì)空間信息的響應(yīng)。線性陣列區(qū)分角度分量，空間響應(yīng)具有不確定性。平面陣列在使用中具有分量的分辨率，同時(shí)對(duì)于不同平面分辨率在具體過程中也大不相同。因此，在設(shè)計(jì)過程，需要合理地確定陣列拓?fù)?，?quán)重決定了響應(yīng)特性。陣列的權(quán)重調(diào)整波束方向。在自適應(yīng)干擾保護(hù)中，調(diào)整陣列的權(quán)重，使零點(diǎn)與陣列方向重合。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾中，陣列響應(yīng)在其他方向正常接收信號(hào)。為了測(cè)量指標(biāo)，陣列模型保留帶寬，寬度定義為陣列增益響應(yīng)角區(qū)寬度。當(dāng)陣列模型零點(diǎn)設(shè)置時(shí)，延遲區(qū)域的寬度是關(guān)鍵參數(shù)。陣列對(duì)不同的信號(hào)響應(yīng)存在差異。在不同方向設(shè)置零點(diǎn)時(shí)，常用陣列結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)挾却嬖诓町悺Ｔ诓煌姆较蜻M(jìn)行調(diào)整，角寬推力帶內(nèi)不同振動(dòng)最小點(diǎn)陣為零。六邊形和最大波動(dòng)在陣列中，由于陣列中心對(duì)稱旋轉(zhuǎn)，保留帶角場(chǎng)寬度也有周期性變化。陣列具有軸對(duì)稱性，對(duì)不同輸入波的響應(yīng)不變。六邊形陣列是對(duì)稱的，保留帶的角場(chǎng)寬度也會(huì)定期變化。因此，六邊形和圓形振蕩非常小，適用于自適應(yīng)抗干擾應(yīng)用[6]。

結(jié)語

綜上所述，針對(duì)小型天線導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)干擾的需求，縮小天線的小型化，并改善軸比波瓣。在小型天線的基礎(chǔ)上構(gòu)建天線陣列，利用干擾預(yù)防得到最優(yōu)陣列，證明了小型圓極化天線的天線陣列在干擾防護(hù)系統(tǒng)中可以抑制干擾信號(hào)。

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作者簡(jiǎn)介：商黎榮（1982— ），男，漢族，浙江嘉興人，本科，工程師，研究方向：電子器件、信號(hào)處理。84FD1F7B-10CA-48F5-B4BD-8A446B8D99D8