寬頻段干涉儀測(cè)向天線設(shè)計(jì)

寇亞舟

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司54所，石家莊050081）

0 引 言

無(wú)線電測(cè)向技術(shù)從出現(xiàn)到現(xiàn)在發(fā)展了上百年時(shí)間，出現(xiàn)了各種各樣的測(cè)向系統(tǒng)。測(cè)向體制分為幅度比較測(cè)向體制、沃森－瓦特測(cè)向體制、烏蘭－韋伯爾測(cè)向體制、到達(dá)時(shí)間測(cè)向體制、干涉儀測(cè)向體制、多普勒測(cè)向體制、空間譜估計(jì)測(cè)向體制等［1－2］。

干涉儀測(cè)向體制依然是現(xiàn)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(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)向，必須對(duì)干涉儀測(cè)向天線進(jìn)行組陣設(shè)計(jì)。

1 干涉儀測(cè)向組陣設(shè)計(jì)

干涉儀測(cè)向組陣設(shè)計(jì)就是按照給定的測(cè)向精度、測(cè)向范圍以及設(shè)備的相位測(cè)量誤差，選擇合適的天線單元，并確定它們之間的間距。當(dāng)然，在滿足測(cè)向性能指標(biāo)要求的前提下，需要的天線陣元數(shù)越少，且能夠在較大相位差測(cè)量誤差的環(huán)境下正確解模糊越好。

1.1 長(zhǎng)短基線匹配干涉儀組陣設(shè)計(jì)

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

圖1 長(zhǎng)短基線匹配干涉儀

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得到如下遞推關(guān)系式，逐次確定其余各條基線的模糊數(shù)Nk，完成解模糊過(guò)程：

實(shí)際測(cè)向設(shè)備在進(jìn)行相位測(cè)量時(shí)不可避免地存在測(cè)量誤差，當(dāng)相位測(cè)量誤差超過(guò)一定范圍后會(huì)導(dǎo)致上述逐次解模糊過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤，即無(wú)法獲得正確的N值。設(shè)干涉儀的無(wú)模糊測(cè)向范圍為［－θm，θm］，各基線允許的最大相位測(cè)量誤差為Δφk，由單基線干涉儀公式及上面遞推關(guān)系式解模糊表達(dá)式，可得到如下的解模糊條件：

長(zhǎng)短基線匹配干涉儀組陣設(shè)計(jì)步驟：

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

圖2 虛擬基線干涉儀組陣示意圖

（2）根據(jù)測(cè)向精度表達(dá)式確定總的基線長(zhǎng)度；

（3）根據(jù)最大相位差測(cè)量誤差Δφ，確定其它各條基線的比例系數(shù)；

（4）各條基線長(zhǎng)度之和大于所需的總基線長(zhǎng)度。

1.2 虛擬基線匹配干涉儀組陣設(shè)計(jì)

小型化測(cè)向設(shè)備受限于天線尺寸，因此實(shí)際應(yīng)用中使用虛擬基線干涉儀組陣設(shè)計(jì)。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(shí)基線解模糊條件類似，但2個(gè)虛擬天線單元之間的最大相位差測(cè)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵是虛擬基線的選擇和構(gòu)造，考慮到相位差測(cè)量誤差，基線長(zhǎng)度還應(yīng)滿足上述約束。如圖3所示，虛擬基線主要通過(guò)相鄰2條基線相減獲得，同時(shí)還可以利用虛擬基線的和來(lái)構(gòu)造新的虛擬基線以增加虛擬基線的數(shù)目。

虛擬基線組陣設(shè)計(jì)步驟：

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

圖3 虛擬基線構(gòu)造過(guò)程示意圖

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

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

（4）利用基線Dm＋3、Dm＋4構(gòu)造第4級(jí)虛擬基線D4＝ Dm＋4－Dm＋3＝K1D3＝K1（K1＋1）D1。

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

（6）令Dm＋1為所有基線長(zhǎng)度之和的K2倍，由此可知需要多條虛擬基線：

（7）實(shí)際基線數(shù)n與虛擬基線數(shù)m 之間應(yīng)滿足：

（8）根據(jù)K3，構(gòu)造其它實(shí)基線。

1.3 天線匹配加載設(shè)計(jì)

利用相位信息確定來(lái)波入射角能達(dá)到較高的精度，但測(cè)向天線之間的互耦對(duì)系統(tǒng)性能影響很大。加載匹配網(wǎng)絡(luò)不但能降低接收機(jī)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(wǎng)絡(luò)，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(shí)現(xiàn)更好的駐波比，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效接收。

采用印制板作為對(duì)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(guān)，具體數(shù)值可以由圖4曲線得到。設(shè)天線的單臂長(zhǎng)度為l，等效半徑為ae，則天線的長(zhǎng)細(xì)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(zhǎng)的偶極子天線上，每隔一定的單位長(zhǎng)度都對(duì)天線進(jìn)行加載，試驗(yàn)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(zhǎng)度加載阻抗為：

式中：φ為一個(gè)實(shí)常數(shù)，由天線的電長(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，計(jì)算極為復(fù)雜，其虛部和實(shí)部比較起來(lái)很小，在工程中，可以把它近似地看成一個(gè)實(shí)常數(shù)，可以用經(jīng)驗(yàn)公式φ＝Ω－3來(lái)計(jì)算。

2 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)完成后的測(cè)向天線陣進(jìn)行了相位、幅度的測(cè)試，并生成了樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取2個(gè)方位對(duì)測(cè)向精度指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，300～3 000MHz，統(tǒng)計(jì)精度在2°以內(nèi)，如圖5、圖6所示。

圖5 方位1測(cè)向誤差

圖6 方位2測(cè)向誤差

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，完成了寬頻段干涉儀測(cè)向天線的設(shè)計(jì)，并在工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)向。

［1］陳俊華.圓陣干涉儀測(cè)向技術(shù)［D］.上海：上海交通大學(xué)，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(jìn)的相關(guān)干涉儀測(cè)向處理方法［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，33（3）：401－403.

［4］辛紅，鄭家駿，梁昌洪.匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)測(cè)向天線陣性能的改善［J］.微波學(xué)報(bào)，2000（4）：354－360.