射頻仿真系統(tǒng)任意極化信號(hào)產(chǎn)生方法研究

江　橋

(解放軍91404部隊(duì)，秦皇島 066001)

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射頻仿真系統(tǒng)任意極化信號(hào)產(chǎn)生方法研究

江橋

(解放軍91404部隊(duì)，秦皇島 066001)

摘要：從當(dāng)前雷達(dá)技術(shù)發(fā)展及雷達(dá)試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境的現(xiàn)狀出發(fā)，提出了任意極化信號(hào)產(chǎn)生的必要性，分析了任意極化的重要性，并通過極化控制理論推導(dǎo)控制公式，分析了2種極化控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后通過仿真驗(yàn)證了任意極化控制模型的正確性。

關(guān)鍵詞：射頻仿真；任意極化；陣列控制

0引言

戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境日趨復(fù)雜惡劣，促使人們不斷開發(fā)利用各種信息處理技術(shù)來提高傳感系統(tǒng)的探測(cè)能力和感知能力。極化是電磁波除時(shí)域、頻域和空域信息以外的又一可資利用的重要信息，充分挖掘極化信息為現(xiàn)代雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)性能的改善提供了廣闊的空間。隨著雷達(dá)極化測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)目標(biāo)電磁散射特性認(rèn)識(shí)的逐步深入，雷達(dá)極化學(xué)作為現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的重要分支，取得了豐碩的研究成果，極大地推動(dòng)了雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展[1]。

越來越多的極化雷達(dá)相繼研制成功并投入使用，對(duì)雷達(dá)試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境提出了新的要求。傳統(tǒng)射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)并不關(guān)心信號(hào)的極化特征，一般一次試驗(yàn)只能形成單一的水平極化或垂直極化信號(hào)環(huán)境。如何構(gòu)建具有任意極化特性的復(fù)雜電磁信號(hào)、目標(biāo)回波信號(hào)、干擾信號(hào)以及雜波信號(hào)環(huán)境，以適應(yīng)現(xiàn)代新體制雷達(dá)電子戰(zhàn)裝備的內(nèi)場(chǎng)仿真試驗(yàn)需求，是雷達(dá)、電子戰(zhàn)內(nèi)場(chǎng)射頻仿真系統(tǒng)建設(shè)中亟需解決的問題。

1極化控制理論

極化是指在空間各點(diǎn)，以場(chǎng)強(qiáng)模值為長(zhǎng)度、空間指向?yàn)榉较蛩嫵龅膱?chǎng)矢量的尖端隨時(shí)間變化所描繪出來的幾何軌跡[2]。

均勻平面波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)同形，只是磁場(chǎng)和電場(chǎng)的方向是垂直的，工程上常用電場(chǎng)的幾何狀態(tài)來定義均勻平面波的極化狀態(tài)。

如圖 1所示,按右手法則建立平面直角坐標(biāo)系,沿+z或-z方向傳播的均勻平面波的電場(chǎng)可以由分別在x和y方向上的2個(gè)獨(dú)立電場(chǎng)迭加而成[2]。不失一般性，可設(shè)A點(diǎn)的電場(chǎng)為:

E(A，t)=ixE1sinωt+iyE2sin(ωt+δ)

(1)

因而有:

Ex=E1sinωt

(2)

(3)

圖1　坐標(biāo)系

極化形式包括線極化、圓極化和一般橢圓極化。其中，線極化和圓極化分別為橢圓極化在軸比為1和∞時(shí)的特例，通常所說的水平極化和垂直極化又是線極化的特例。圓極化和橢圓極化還存在左旋極化和右旋極化的區(qū)別。IEEE規(guī)定：當(dāng)觀察者順著電磁波傳播方向看時(shí)，在傳播路徑的某個(gè)固定位置上，電場(chǎng)矢量隨著時(shí)間順時(shí)針旋轉(zhuǎn)者為右旋，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)者為左旋[3]。對(duì)于+z方向傳播的均勻平面波，當(dāng)0<δ<π時(shí)，就是左旋波；當(dāng)-π<δ<0時(shí)，就是右旋波。對(duì)于-z方向傳播的均勻平面波，則剛好相反。

因此，對(duì)單輻射源極化控制就轉(zhuǎn)化為對(duì)兩同頻正交電場(chǎng)矢量的幅度和相位的控制。對(duì)于任意極化，都可以由極化橢圓方程來描述:

(4)

根據(jù)橢圓極化軸比和傾角的定義，解方程可得歸一化功率控制關(guān)系為:

(5)

(6)

相位控制關(guān)系為:

(7)

式中:AR為橢圓極化的軸比;τ為橢圓極化的傾角。

2任意極化射頻仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在射頻仿真試驗(yàn)系統(tǒng)中，射頻天線陣列由若干個(gè)如圖 2所示的三元組組成，通過機(jī)械和電氣校準(zhǔn)，使各天線到陣列回轉(zhuǎn)中心的相位一致。通過控制三元組各天線的信號(hào)幅度，使信號(hào)幅度重心在三元組內(nèi)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)任意軌跡目標(biāo)的模擬。

圖2　射頻仿真系統(tǒng)三元組原理示意圖

傳統(tǒng)射頻仿真系統(tǒng)中，天線輻射單元一般為水平或垂直單極化天線，或雖為雙極化天線，但一次試驗(yàn)只能選通水平或垂直中的一路，不能對(duì)水平和垂直支路進(jìn)行實(shí)時(shí)同步控制。將單輻射源極化控制理論應(yīng)用于陣列射頻仿真系統(tǒng)中，天線輻射單元采用雙極化天線，通過增加前端陣列饋電通道數(shù)量，同時(shí)對(duì)三元組各天線的水平支路和垂直支路的幅度和相位進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)任意極化、任意軌跡目標(biāo)的模擬。有2種陣列饋電方案可供選擇，如圖 3和圖 4所示。

在方案1中，目標(biāo)位置控制與極化控制單獨(dú)進(jìn)行，極化控制是在后端天線單元處實(shí)現(xiàn)的；每個(gè)射頻饋電通道所需的幅相控制模塊數(shù)量為“3+2×n”(n為陣列天線單元數(shù)量)。在方案2中，目標(biāo)位置控制與極化控制同時(shí)進(jìn)行，每個(gè)射頻饋電通道所需的幅相控制模塊數(shù)量為“2×3=6”。

圖3　方案1陣列饋電原理框圖

在陣列射頻仿真中，幅相控制模塊是系統(tǒng)中價(jià)格最為昂貴的器件。2種方案均能實(shí)現(xiàn)任意極化、任意軌跡的目標(biāo)模擬，但從費(fèi)效比來講，方案2要比方案1大大節(jié)約建設(shè)成本。

圖4　方案2陣列饋電原理框圖

3任意極化信號(hào)的三元組合成

電磁場(chǎng)中的功率流密度，稱為坡印廷矢量，表征了單位時(shí)間流過場(chǎng)中某點(diǎn)垂直于傳輸方向單位面積的能量:

(8)

坡印廷矢量的方向表征了信號(hào)的傳播方向，坡印廷矢量的模表征了功率流密度值。

將文獻(xiàn)[4]中的單極化電磁矢量方程應(yīng)用到任意極化三元組天線單元。各輻射天線電場(chǎng)可表示為：

(9)

磁場(chǎng)可表示為:

(10)

代入平均坡印廷矢量公式:

(11)

可求得目標(biāo)視在方位角φ、俯仰角θ以及合成場(chǎng)的極化形式。

經(jīng)推導(dǎo)，經(jīng)小角度近似后，任意極化三元組歸一化幅相控制公式為：

(12)

(13)

式中：m為垂直極化支路幅度相對(duì)于水平極化支路幅度比值;Δa為垂直極化支路相對(duì)于水平極化支路相位差;m和Δa的具體取值由單天線單元的極化公式求得。

4仿真驗(yàn)證

以48mrad為例，分別選取不同傾角的斜極化、不同傾角和軸比的橢圓極化，對(duì)每種極化參數(shù)在三元組內(nèi)任意取點(diǎn)10 000次，不考慮幅相控制誤差，經(jīng)統(tǒng)計(jì)可得陣列回轉(zhuǎn)中心處合成場(chǎng)的目標(biāo)位置模擬誤差最大為0.008mrad，均方根為0.002mrad。目標(biāo)位置模擬誤差分布如圖5和圖6所示。

選取幾組典型極化參數(shù)，控制誤差如表 1、表 2所示。

通過仿真計(jì)算，可見采用本文所述任意極化信號(hào)產(chǎn)生方法，能夠產(chǎn)生所需的任意極化、任意目標(biāo)軌跡的信號(hào)，陣列回轉(zhuǎn)中心處目標(biāo)位置模擬誤差和極化控制誤差可忽略不計(jì)。

圖5　目標(biāo)模擬位置誤差分布散點(diǎn)圖

圖6　目標(biāo)模擬位置誤差分布概率統(tǒng)計(jì)柱狀圖

表1　斜極化極化控制誤差

表 2　橢圓極化控制誤差

5結(jié)束語

射頻仿真系統(tǒng)任意極化信號(hào)產(chǎn)生對(duì)構(gòu)建具有任意極化特性的復(fù)雜電磁信號(hào)、目標(biāo)回波信號(hào)、干擾信號(hào)以及雜波信號(hào)環(huán)境，以適應(yīng)現(xiàn)代新體制雷達(dá)、電子戰(zhàn)裝備的內(nèi)場(chǎng)仿真試驗(yàn)需求有著重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]羅佳.天線空域極化特性及應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

[2]徐永斌,何國瑜.工程電磁場(chǎng)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1992.

[3]張明勝.極化信息與變極化技術(shù)的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2005.

[4]毛繼志,郭陳江,張麟兮,許家棟.幅相誤差對(duì)射頻仿真系統(tǒng)目標(biāo)位置精度的影響[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003，15(8)：1149-1151.

Research into Random Polarization Signal Generation Method of RF Simulation System

JIANG Qiao

(Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)

Abstract:Starting from current status of radar technology development and radar experiment verification environment,this paper puts forward the necessity of random polarization signal generation,analyzes the importance of random polarization,and deduces the control formula through polarization control theories,analyzes the advantages and disadvantages of two polarization control projects,finally validates the correctness of random polarization control model through simulation.

Key words:radio frequency simulation;random polarization;array control

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.015

中圖分類號(hào)：TN955.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)01-0072-04

收稿日期:2015-10-16