基于比幅比相測向法的寬帶接收機的設計與實現

張學成,居 易

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州225101)

0 引 言

無源定位是電子偵察的關鍵技術,目標的方位信息是信號分選及引導干擾的重要參數。隨著電子戰技術的不斷發展及電磁環境的日益復雜,對測向系統的性能要求越來越高。目前常用的測向方式有比幅測向法和干涉儀測向法[1]。比幅測向以其結構簡單、性能穩定、復雜環境適應性強等特點在偵察系統中得到廣泛運用,但其測向精度的提升主要依賴于天線陣元數和測向通道的增加,這就使得其體積、重量及成本都大幅增加。干涉儀測向的特點是測向精度高,但單基線干涉儀存在相位模糊問題,需要多個基線組合解模糊[2];對各通道間的幅相一致性要求很高,為獲得高的幅相一致性,對器件性能指標要求高,研制生產難度大,相應地也影響了設備的性價比[3]。針對2種測向法的特點,本文介紹一種復合測向體制——比幅比相測向體制,通過汲取比幅測向體制和干涉儀測向體制各自的優點,設計實現了瞬時全方位(0～360°)、寬頻帶(6～18 GHz)、高精度(＜2°RMS)的寬帶接收機,在體積、重量、成本、復雜度等方面都較單一測向體制有很大優勢。

1 主要工作原理

1.1 比幅測向工作原理

比幅測向用多個獨立的定向天線產生毗鄰波束,通過相鄰波束接收同一個信號的相對幅度來測量信號到達方位,比幅測向示意圖如圖1所示[4]。

圖1 比幅測向示意圖

設各天線增益相同,θs為波束夾角,其3 dB波束寬度均為θr。一般天線方向圖滿足對稱性,為簡化定量分析,其方向性函數近似為高斯函數,其中θ為相對波束中心指向的角度。則對應天線的輸出信號為:

根據半功率波束寬度的定義可求得系數k:

帶入以上信號的表達式,同時取對數,對應在硬件上取得的信號功率對數幅度的原始采樣數據,與輸出視頻電壓呈線性關系:

式中:系數B=20lgeln2≈6;P0=10lg A0。

考慮兩波束比幅測向,以兩波束等信號軸方向為零度方向,θ為偏離零度方向的角度,則左右2個波束的幅度為:

顯而易見,比幅測向法天線數目越多,測角精度和分辨力越高,目前高精度的多波束測向設備往往用幾十個天線瞬時覆蓋全方位。但是,由于每個天線都有獨立的接收通道,這樣一來,要求測向精度越高,系統就愈加復雜。

1.2 比相測向工作原理

比相測向法也叫干涉儀測向,它具有精度高、結構簡單、設備量少的優點,以單基線干涉儀為例,由2個接收天線、2個接收通道和比相接收機組成,圖2所示為一維雙陣元干涉儀,是一個最簡單的干涉儀模型。

當偵察距離遠大于天線陣基線長度時,可把來自同一輻射源的入射波看成平行波,可以導出入射信號到達2個天線的相位差:

圖2 單基線干涉儀原理圖

接收機通過鑒相得到相位差,經過換算就可以得到入射角。相位差?以2π為周期,如果超過2π,便出現模糊。由式(9)可知,在±90°視角范圍內,相位不模糊的要求是D＜λ/2,實際上為了得到高的測向精度,一般選用的基線都比較長,這樣在大視角范圍內必然存在相位模糊問題。圖3為在±30°范圍內不同頻率入射信號的相位變化圖。

能源優勢：打造成為國家重要的能源化工基地，是推進寧夏內陸開放型經濟試驗區戰略定位之一，目前以煤化工為代表的寧東能源化工基地正在崛起，國家“西氣東輸”5條管線橫穿寧夏，在承接中東、中亞油氣加工轉化方面有一定的優勢。

圖3 不同頻率相位變換圖

1.3 比幅比相測向工作原理

如1.1及1.2所述,單獨一種體制的測向方法均存在其優缺點,所以結合2種測向體制,提出了比幅比相測向的方法[5]。比幅比相測向原理上是采用單基線干涉儀測向與多波束比幅測向相結合,利用干涉儀測向來保證測向精度,同時通過比幅測向來解算單基線干涉儀測向中存在的相位模糊。在系統設計中,首先用比幅測向測出的粗方位來選定用哪2個天線做單基線干涉儀測向,利用干涉儀測向公式將真實與模糊的方位全部解算出來后與比幅測向的角度進行比較,確定哪個為真方位,解模糊處理將在第三部分做詳細說明。

2 系統設計與實現

系統原理框圖如圖4所示。

圖4 原理框圖

為保證偵收信號幅相特性的一致性,天線陣由8個恒波束天線組成,任意2個相鄰天線波束中心指向夾角為45°,最短基線長47 mm(對應18 GHz)。全向天線覆蓋360°范圍,主要用于信號頻率的測量,為數據處理中相位和幅度的校正及方位解算提供頻率信息。

自檢信號提供8路等相位射頻信號用于對系統中各個通道的幅度及相位一致性進行校準,提高比幅及比相的測向精度[6]。天線引入的幅度及相位誤差在微波暗室中通過精細測量進行校正[7]。

電路中限幅濾波用于抗燒毀和帶外信號抑制,保證設備微波前端輸入大功率信號時,設備不會損壞。放大器選用低噪聲放大器,用以補償線路衰減和獲得較低的系統噪聲系數。釔鐵石榴石(YIG)及帶阻濾波用于精準屏蔽一部分射頻信號,增強系統的環境適應性。檢波對數視頻放大器(DLVA)完成信號射頻到視頻的轉換,鑒相器將相鄰通道的相位信息轉換為幅度信息送處理板進行量化處理。

數據處理模塊主要完成幅度采樣及相位編碼、對幅度采樣數據及相位編碼數據進行校正,最終解算出信號的方位及其它參數信息。

3 解模糊處理

在結構安裝固定的條件下,天線的基線長度隨著頻率的增加而變短。天線波束中心夾角為45°,相位中心到2邊的夾角為±22.5°,由于比幅測向存在誤差及相位中心零點存在偏差,故將干涉儀測向的方位擴展到±30°。相位表達式為:

要得到最終的真實相位,必須進行相位解模糊,即求出N值,然后才能得到要求的角度值。角度表達式為:

由圖3可知,不同頻率下的相位模糊周期數不同。由計算可知,當頻率≤11 GHz時,存在2個相位模糊周期;當頻率＞11 GHz時,存在4個相位模糊周期,故將解模糊處理分兩部分。

(1)存在2個模糊周期,即N=-1,0,代入公式(10)解得2個入射角θ-1、θ0。假定真實入射方位為θ,比幅測向按角度計算公式(8)計算出為θa。比相測向解得的2個方位角θ-1、θ0與比幅測向解得的方位角θa差值的絕對值分別為Δθ-1、Δθ0。在比幅測向精度滿足要求的前提下,當Δθ-1＜Δθ0時,測向方位為θ-1;當Δθ-1≥Δθ0時測向方位為θ0。

θa與入射方位為θ差值的絕對值為Δθa。忽略比相測向誤差,當θ=θ-1時,應滿足Δθ-1＜Δθ0,此時Δθa為:

當θ=θ0時,應滿足Δθ-1≥Δθ0,Δθa計算公式為:

(2)存在4個模糊周期,即N=-2,-1,0,1,代入公式(11)解得4個入射角θ-2、θ-1、θ0、θ1,計算出比相測向4個方位角與比幅測向角度θa差值的絕對值分別為,在比幅測向誤差滿足的基礎上判斷與比幅測向誤差絕對值最小的角度為真實方位。

圖5、圖6分別為頻率為6 GHz和18 GHz時不同入射角下幅度信息與相位信息關系圖。

圖5 6 GHz幅度相位關系圖

圖6 18 GHz幅度相位關系圖

比幅測向的精度影響解模糊的正確性,其精度的估算可以通過對式(8)求導得到:

按八波束比幅測向估計誤差,波束夾角θs=360°/8=45°。相鄰波束通常設計在-3 dB附近相交,因此θr=360°/8=45°。相鄰天線最大幅度差PL-R約10 d B,即在測向區間的最大幅度差約為10 d B。

誤差公式中第1項是由于波束寬度的變化量dθr引起的,根據一般經驗,波束寬度的相對變化量為20%,對于45°恒波束天線大約隨天線變化9°左右,實際上接收機一般都設計了頻率校碼功能,如果按倍頻程校碼,則最大變化3°,在波束頂端誤差最大,約為:

第2項是由于天線波束指向變化引起的,導致因素包括天線方向圖的不均勻性、天線加工誤差以及天線安裝誤差等。一般這種偏差在波束寬度的10%以內,若以4.5°估計,可以計算:

第3項是由于幅度誤差引起的,包括測量量化誤差,接收機硬件不一致性等因素。根據目前硬件研制水平以及指標要求,幅度測量相對誤差小于2 dB,這樣計算可得:

以上各項誤差基本是根據各影響因素可能導致的最大誤差估計的,超出最大誤差的數據可能導致比幅比相編碼的錯誤,所以總的比幅測向誤差就按最大估計值計算:

這里誤差估計取值比較大,比如頻率校碼是按倍頻程校碼估計的,比較粗,實際上頻率校碼是比較細的。第2項的波束指向誤差,按目前天線加工工藝能力以及安裝精度,4.5°的偏差顯然過大,但總的測向誤差小于相位周期的一半,由解模糊方法可知當比幅測向誤差小于相位半周期角度時可以實現正確解模糊。不同頻率下相位半周期對應入射角度范圍如表1所示。

表1 不同頻率下的相位半周期對應入射角度范圍

4 測試結果及分析

在6～18 GHz頻率范圍內每200 MHz遞增,在360°方位每間隔5°做一次測試。經過大量的測試及數據統計證明:無論在存在2個模糊周期的頻率范圍內,還是在存在4個模糊周期的頻率范圍內,都能實現正確的解模糊,對實測數據進行均方根統計后計算出測向誤差為1.55°(RMS),滿足測向精度＜2°(RMS)的指標要求。本測試主要集中在微波暗室環境下進行,對外部環境的適應性例如艦載、機載及其他安裝環境需進一步試驗驗證。

5 結束語

本文對比幅比相測向體制接收機的原理、系統設計及解模糊處理做了詳細的論述,并最終設計實現了瞬時全方位(0～360°)、寬頻帶(6～18 GHz)、高精度(＜2°rms)的寬帶接收機。基于比幅比相測向的寬帶接收機具有結構簡單合理、體積小、重量輕、成本低等特點,在工作中穩定可靠,其性能指標能夠滿足多種平臺的使用要求,應用前景廣闊。