寬頻段干涉儀測向天線設計

寇亞舟

（中國電子科技集團公司54所，石家莊050081）

0 引 言

無線電測向技術從出現到現在發展了上百年時間，出現了各種各樣的測向系統。測向體制分為幅度比較測向體制、沃森－瓦特測向體制、烏蘭－韋伯爾測向體制、到達時間測向體制、干涉儀測向體制、多普勒測向體制、空間譜估計測向體制等［1－2］。

干涉儀測向體制依然是現階段使用最廣泛、采用最多的一種方法。為了保證在寬頻段內實現高精度的測向，必須對干涉儀測向天線進行組陣設計。

1 干涉儀測向組陣設計

干涉儀測向組陣設計就是按照給定的測向精度、測向范圍以及設備的相位測量誤差，選擇合適的天線單元，并確定它們之間的間距。當然，在滿足測向性能指標要求的前提下，需要的天線陣元數越少，且能夠在較大相位差測量誤差的環境下正確解模糊越好。

1.1 長短基線匹配干涉儀組陣設計

長短基線匹配干涉儀要求最短基線長度小于信號波長的一半，新增其它基線用于逐次解相位模糊，提高測向精度［3］。長短基線匹配干涉儀如圖1所示。

圖1 長短基線匹配干涉儀

經過推導可得到如下遞推關系式，逐次確定其余各條基線的模糊數Nk，完成解模糊過程：

實際測向設備在進行相位測量時不可避免地存在測量誤差，當相位測量誤差超過一定范圍后會導致上述逐次解模糊過程出現錯誤，即無法獲得正確的N值。設干涉儀的無模糊測向范圍為［－θm，θm］，各基線允許的最大相位測量誤差為Δφk，由單基線干涉儀公式及上面遞推關系式解模糊表達式，可得到如下的解模糊條件：

長短基線匹配干涉儀組陣設計步驟：

（1）按照測向設備工作的最高頻率（最短波長λmin）、最大無模糊測向角度θmax、最大相位差測量誤差Δφ確定需要的短基線長度D1；

圖2 虛擬基線干涉儀組陣示意圖

（2）根據測向精度表達式確定總的基線長度；

（3）根據最大相位差測量誤差Δφ，確定其它各條基線的比例系數；

（4）各條基線長度之和大于所需的總基線長度。

1.2 虛擬基線匹配干涉儀組陣設計

小型化測向設備受限于天線尺寸，因此實際應用中使用虛擬基線干涉儀組陣設計。虛擬基線干涉儀組陣示意圖如圖2所示。

虛擬基線干涉儀解模糊條件與實基線解模糊條件類似，但2個虛擬天線單元之間的最大相位差測量誤差為2Δφ，所以解模糊條件為：

虛擬多基線干涉儀天線陣設計的關鍵是虛擬基線的選擇和構造，考慮到相位差測量誤差，基線長度還應滿足上述約束。如圖3所示，虛擬基線主要通過相鄰2條基線相減獲得，同時還可以利用虛擬基線的和來構造新的虛擬基線以增加虛擬基線的數目。

虛擬基線組陣設計步驟：

（1）按照測向設備工作的最高頻率（最短波長λmin）、最大無模糊測向角度θm、最大相位差測量誤差Δφ，確定需要的短基線長度D1。利用基線Dm＋1、Dm＋2構造虛擬基線D1＝ Dm＋2－Dm＋1。

圖3 虛擬基線構造過程示意圖

（2）利用基線Dm＋2、Dm＋3構造虛擬基線D2＝ Dm＋3－Dm＋2＝K1D1。

（3）利用前2條基線的和構造第3級虛擬基線D3＝ Dm＋3－Dm＋1＝（K1＋1）D1。

（4）利用基線Dm＋3、Dm＋4構造第4級虛擬基線D4＝ Dm＋4－Dm＋3＝K1D3＝K1（K1＋1）D1。

（5）重復步驟（3）、（4），構造其余虛擬基線。該步驟也用于確定構造虛擬基線的陣元間距。

（6）令Dm＋1為所有基線長度之和的K2倍，由此可知需要多條虛擬基線：

（7）實際基線數n與虛擬基線數m 之間應滿足：

（8）根據K3，構造其它實基線。

1.3 天線匹配加載設計

利用相位信息確定來波入射角能達到較高的精度，但測向天線之間的互耦對系統性能影響很大。加載匹配網絡不但能降低接收機端口的駐波比，還能有效地減弱天線之間互耦的影響［4］。

在天線饋電端，采用寬帶匹配網絡，使得饋線阻抗與天線特性阻抗能更好地匹配，從而使天線實現更好的駐波比，實現信號的高效接收。

采用印制板作為對稱陣子天線的2臂，其等效半徑與印制板的厚度t和寬度s有關，具體數值可以由圖4曲線得到。設天線的單臂長度為l，等效半徑為ae，則天線的長細比因子為：

天線特性阻抗為：

圖4 曲線圖

采用分布加載，即在有限長的偶極子天線上，每隔一定的單位長度都對天線進行加載，試驗表明，分布加載能夠使天線獲得更好的電性能。

理論分析表明，分布式加載天線每單位長度加載阻抗為：

式中：φ為一個實常數，由天線的電長度及結構參數決定，計算極為復雜，其虛部和實部比較起來很小，在工程中，可以把它近似地看成一個實常數，可以用經驗公式φ＝Ω－3來計算。

2 結束語

設計完成后的測向天線陣進行了相位、幅度的測試，并生成了樣本數據庫。在標準試驗場隨機抽取2個方位對測向精度指標進行測試，300～3 000MHz，統計精度在2°以內，如圖5、圖6所示。

圖5 方位1測向誤差

圖6 方位2測向誤差

經過試驗驗證，完成了寬頻段干涉儀測向天線的設計，并在工程應用中實現了高精度測向。

［1］陳俊華.圓陣干涉儀測向技術［D］.上海：上海交通大學，2008.

［2］Lars Jisefsson，Patrik Person.Conformal Array Anten－na Theory and Design［M］.Boston USA：Artech House，2006.

［3］李淳.廖桂生.李艷斌.改進的相關干涉儀測向處理方法［J］.西安電子科技大學學報（自然科學版），2006，33（3）：401－403.

［4］辛紅，鄭家駿，梁昌洪.匹配網絡對測向天線陣性能的改善［J］.微波學報，2000（4）：354－360.