極化對GPS干擾效果影響分析

傅亦源,于 鵬,焦 斌

(中國人民解放軍63880部隊,河南洛陽471003)

0 引言

隨著GPS在軍事領域的應用越來越廣泛,GPS對抗也日趨激烈[1]。不論采用何種干擾樣式,都需要通過天線耦合,使干擾信號進入敵方GPS接收機,使干擾有效。為獲得良好干擾效果,設計干擾機天線時必須使其極化特性與GPS接收天線極化特性一致。

目前,GPS接收機天線大多采用圓極化微帶天線,這里的圓極化指微帶天線主軸方向上的極化特性。實際應用中GPS接收機為了接收衛星信號,接收天線主軸垂直向上。而干擾機使用時,相對敵方GPS接收機較遠,干擾信號一般不從主軸方向,而是從側面進入GPS接收天線,如圖1所示。因此需要考慮GPS接收機微帶天線側面的極化特性,選擇合適的干擾信號極化方式,以獲得良好干擾效果。

為了描述方便,本文中假設電場平行于微帶天線表面的信號為水平極化;電場垂直于微帶天線表面的信號為垂直極化。

圖1 GPS干擾態勢圖

1 圓極化微帶天線的極化特性

微帶天線以重量輕、成本低、結構緊湊和易于共形等特點已獲得了越來越廣泛的應用。盡管圓極化天線形式各異,但產生機理萬變不離其宗[2]。本文以圖2中的結構為例進行分析。

分析微帶天線有傳輸線理論、腔模理論、格林函數法、矩量法和時域有限差分法(FDTD)等方法。對于矩形、圓形等規則形狀的微帶天線的工程計算,多采用腔模理論[3]。

圖2 圓極化微帶天線

圖2是貼片邊長為a、介質基片厚h、相對介電常數為εr、饋電點為 c、d的圓極化微帶天線。

根據腔模理論,作如下假設：

①在 c、d 處加恒流電源Jzx=1、Jzd=e-jπ/4;

②微帶貼片外表面電流為零;除了激勵點外所有微帶邊緣上法向電流為零;

③在微帶貼片和接地板之間,電場僅有Ez分量,磁場只有 Hx、Hy分量,所有場量僅是 x、y的函數,而與z坐標無關。

從圖2中可以看出,對應于 c、d2個饋電點中的任意一個,諧振時微帶天線的本端和對端等效磁流是同相的,而側壁的磁流則兩兩相反。利用二元陣得到c、d 2個饋電點的相應主極化輻射場為：

式(1)中的 V0c=hEzc和式(2)中的 V0d=hEzd=hEzce-jπ/2,為諧振時2個輸入端口的輸入電壓;k為自由空間傳播常數,a為貼片寬度,θ為干擾信號入射方向與Z軸夾角。

總的合成場為：

根據式(1)、式(2)、式(3),計算得到微帶天線不同輻射角上的水平極化分量與垂直極化分量的關系如圖3所示。從圖3中可以看出入射角 θ小于54.73°時,垂直分量小于水平分量;入射角 θ大于54.73°時,垂直分量大于水平分量。

圖3 微帶天線水平極化分量與垂直極化分量比較

當信號從側面進入天線時,也就是 θ=90°,結合式(1)、式(2)、式(3)得到微帶天線側面輻射電場：

直角坐標系與球坐標系的變換矩陣為：

從式(5)中可以看出,當 θ=90°,也就是在水平面上,有 θ⌒=-z⌒,電場 E→h只有z⌒分量,微帶天線的極化特性成為垂直極化方式。根據天線互易定理,天線的接收極化特性與其發射極化特性是一致的。因此主軸上為圓極化的微帶天線,當接收側面入射的信號時,其極化特性為垂直極化。

當側面入射的干擾信號為垂直極化,干擾信號可以通過GPS接收機天線進入到接收機處理單元;如果干擾信號為水平極化,GPS接收機接收到的干擾信號將很小,甚至接收不到干擾信號,導致干擾失敗;如果干擾設備采用圓極化天線,將圓極化信號分解為垂直分量和水平分量,GPS接收機天線可以接收到垂直極化分量,而無法接收水平極化分量。為了得到相同的干擾效果,圓極化干擾信號強度需要比垂直極化大3 dB。

對于其他形式的圓極化微帶貼片天線,也都工作TM01和TM10模諧振,因此在側面只存在電場Ez分量,同樣表現為垂直極化特性。

2 載體的影響

現代戰爭中,越來越多武器平臺加裝GPS設備。對這些目標進行干擾時,需要考慮載體平臺金屬面對干擾信號產生的影響。影響主要體現在2個方面：

①遮擋影響。載體遮擋面較大時會有明顯的遮擋效益。載體尺寸或遮擋面面積較小,與GPS信號工作波長接近時,干擾信號可以通過繞射方式傳播,載體的遮蔽影響可以用幾何繞射理論分析,本文不做詳細分析;

②反射影響。載體的金屬表面在電磁波的作用下會感應出電流,并向空間產生二次輻射。在GPS接收天線附近的空間里除了原來的信號外,還有載體表面電流產生的次級場,天線接收到的是這2個場的矢量和。因此天線安裝在載體上的方向圖與自由空間中的天線方向圖不同。

研究載體金屬面對GPS天線電性能的影響比較復雜,本文用鏡像法近似分析。假設一個基本電振子垂直放置在無限大的理想導體平面上,其導體上半空間的場可以等效為由源以及對稱位置上的鏡像疊加形成。載體平面對天線方向圖的影響可歸結為求解天線及其鏡像組成的二元陣的陣函數問題。

不同天線的鏡像如圖4所示。垂直振子的鏡像為正鏡像,振子及其鏡像組成了一個等幅同相二元陣,天線接收增益變大;水平振子的鏡像為負鏡像,振子及其鏡像組成一個等幅反相二元陣,天線接收增益變小。因此對于水平入射的垂直極化信號,安裝在載體上的微帶天線接收到的信號比自由空間大,而接收水平極化信號能力將進一步減弱。

圖4 線天線及其鏡像

結合上述對圓極化微帶天線的分析可以得出：對于天線水平方向入射的干擾信號,微帶天線表現為垂直極化特性,對垂直極化信號接收效果較好,對水平極化信號接收效果差。當GPS接收天線安裝在載體上后,對天線水平方向入射的垂直極化信號接收效果有增強的作用,而對水平極化信號接收效果有進一步削弱的作用。對于圓極化信號,可以分解為水平極化和垂直極化,垂直極化分量增大,而水平分量進一步減小。

3 試驗結果

試驗采用單個GPS圓極化微帶天線分別接收側面入射的同等輻射功率的垂直極化、水平極化以及圓極化干擾信號,測試并記錄接收的干擾信號功率。然后將GPS接收天線安裝在某載車頂部,天線主軸垂直向上,干擾信號從GPS接收機天線側面入射,測試并記錄不同極化形式干擾信號功率。測試結果如表1所示,單位為dBm。

表1 不同極化干擾信號接收功率

從測試數據可以看出,對于單個微帶圓極化天線,接收到的側面入射的垂直極化信號功率最大;圓極化信號比垂直極化小2.7 dB;水平極化信號比垂直極化信號小5.61 dB。說明圓極化微帶天線接收從側面入射的水平極化干擾信號能力弱。

當天線安裝在載車上后,對垂直極化干擾信號,比安裝前的測量值增大了3.16 dB;對于水平極化信號,比安裝前的測量值減小了6.56 dB;對于圓極化干擾信號,比安裝前的測量值增大了2.33 dB。測試情況與理論分析一致。

天線安裝在載車上后,接收到的垂直極化信號最大;圓極化信號比垂直極化小2.83 dB,與理論值3 dB接近;水平極化信號接收功率比垂直極化信號小15.33 dB。

4 結束語

通過理論分析和試驗結果可以看出,圓極化微帶天線接收側面入射信號時,其極化方式為垂直極化,接收垂直極化干擾信號效果明顯。受GPS天線安裝載體的影響,天線加裝后接收側面入射的垂直極化信號能力增強,接收側面入射的水平極化信號能力減弱。因此在設計GPS干擾系統時,天線應優先考慮垂直極化方式,也可以采用圓極化或45°斜線極化,若采用水平極化干擾信號,由于極化不匹配,將導致干擾效率大為降低。

[1]譚顯裕.GPS用于軍用導航中的抗干擾和干擾對抗研究.電光與控制[J].2000,11(4)：23-28.

[2]薛睿峰,鐘順時.微帶天線圓極化技術概述與進展[J].電波科學學報.2002,17(4)：331-336.

[3]劉克成,宋學誠.天線原理[M].長沙：國防科技大學出版社,1989：159-160.