彈載北斗抗干擾天線系統分析與設計

李濤

摘要：北斗導航系統是我國新型全球衛星導航系統，該導航系統具有針對性，主要以軍事領域發展為主，致力于提高安全性，高精準性軍事活動。天線系統抗干擾性可有效避免衛星導航過程中受到信號接收差電磁干擾等問題，因此針對彈載北斗抗干擾天線需要進行設計研究，以供參考。

關鍵詞：彈載北斗;抗干擾天線;系統分析;設計

1.抗干擾天線原理

衛星導航系統在設計過程中融入DSSS直接序列擴頻技術，這種情況使衛星導航系統自身具備較高的抗干擾能力，除此之外，更加具備超強的隱匿性和涉密性，利用該技術能夠針對接收到的信號在頻域上進行展寬，降低功率頻譜度進而將接收的信號進行隱藏。將接收的信號頻率展開后利用擴頻技術能夠進行有效的增益處理，在干擾信號能力強的情況下無法發揮其抗干擾能力，因此需利用數字信號處理強化其抗干擾能力。通常情況利用抑制濾波器可起到抗干擾能力提高效果，而且還能夠對衛星導航系統整體功能進行改善，減少誤碼率[1]。

其主要抗干擾過程體現在針對混頻信號進行分離，獲得有用信號，然后對其他干擾信號產生抑制。有用信號以及其他信號特征差異越大，分離相對簡單。而差異主要體現在空間域、頻域和時域，因此針對抗干擾處理可以添加時域濾波、空間域以及頻率濾波等自算法。（1）寬帶干擾抑制算法。利用空時自適應處理能夠在時間和空間二維度中進行抑制干擾，其原理主要體現在針對干擾信號和有用信號進行空間角獨立，進而實現濾波，其中空時自適應算法包含兩部分內容，第1部分為約束，第2部分為無約束，相較于后者，前者處理更加簡單且精準度高。（2）頻域窄帶干擾抑制算法。該算法可以實現窄帶干擾抑制，利用IDFI進行處理并且實現定位。

2.整體方案系統集成

2.1需求分析

彈載北斗接收機天線需要具備較強的抗干擾能力，能夠在極端復雜以及特殊的環境下進行作業，這種情況需要其既需要適應電磁環境的復雜性同時還需要對導彈進行適應，只有這樣才能充分實現現代化軍事的精準打擊，保證航空武器制導精準。在整個方案設計過程中需要充分結合彈載這一特殊情況，彈載具有高速度，高加速度以及高加加速度，在波束接收過程中，需要其具備極強的自適應能力，但由于其彈上空間具有限制性，這種情況在設計過程中需要控制陣元數目，而且不得不考慮在實際作戰環境中產生的電場和磁場，因此在設計過程中還需要保證其天線具有較寬的抗干擾能力，只有這樣才能充分保障彈載北斗接收機天線的抗干擾需求。

2.2天線陣子設計

在本次設計中天線振子設計主要利用微帶天線形式，該種設計方式具有重量輕，體積小，結構簡單等特點。微帶天線工作頻率受到三個因素影響，第1部分電介質基板的介電常數，第2部分效率，第3部分基板厚度和輻射面面積，關系如下。

（1）在進行基板電介質材料選擇過程中，介電常數以及厚度參數與微帶天線工作頻率成正比;（2）針對其頻帶寬，如果系統匹配50Ω這種情況會造成介電常數與頻帶寬成反比。（3）通常情況下，微帶天線的半功率寬度多為幾十度，因此在實際需求情況下需要利用微帶天線設計優化，提高半功率寬，只有充分保證微貸網絡設計合理性，才能充分滿足天線辦波束寬度需求。

這也是提高天線抗干擾性能的重要體現，針對天線抗干擾能力的提升還需要注重空間檢測能力以及響應能力。在進行自適應天線系統工作過程中可以了解增加振元個數可有效提高信干燥比，而且隨著單元數的逐漸增加，天線的自由度逐漸變大，與此同時有效口徑變大。因此，想要進一步提高天線的抗干擾性，可以通過增加振元數目進行操作。但彈載過程中具備高清動態環境，在天線抗干擾設計過程中必須做到能夠有效適應這種情況并且減少對設備操縱性能以及氣動性能的影響[2]。

增加陣元數目會增加振復雜性，因此這種情況會增加設計成本，設計體積以及設計質量。以自適應算法為切入點進行分析，盡管自適應算法的性能不受振元數的增加而增加，但會造成主瓣寬度逐漸變窄，結合彈載需求，因此在接收機天線系統設計過程中需要控制其尺寸。在綜合考慮下抗干擾天線系統衛星接收陣列選擇4*4較為合理。

2.3天線組成單元設計

北斗抗干擾天線的硬件組成需要由以下幾部分（1）天線陣;（2）微波前端及調制模塊;（3）自適應信號處理模塊;（4）接口模塊。在單個振元設計過程中需要充分考慮以下指標：a工作載頻（B1），目前北斗衛星導航信號載頻為1561Mhz;b采用左旋圓極化的振元極化方式;c控制無源天線仰角≤10°，增益狀態下≥-6db，控制軸線增益≥2db，天線駐波比值≤2。結合陣列形式，本次設計主要利用同軸線饋電，于接地板安裝同軸插座，將導體從介質基片中穿過，與輻射貼片進行連接，這樣能夠針對饋電位置進行準確選擇，從而形成最佳匹配。

針對微帶天線的設計，首先需要針對介質基片進行選擇，我們已知矩形微帶天線介電常數（εr），工作頻率（f），通過這兩個參數能夠獲得輻射貼片寬度（ω）。計算方法：ω=，其中c代表光速;輻射貼片長度通常控制在導波長的1/2，在設計過程中出于對邊緣縮短考慮，其實際輻射單元長度L=，公式中為有效介電常數，為等效輻射縫隙長度。如果饋電電位和輻射貼片位置形成對角，這種情況可以保證電場方向進行垂直。在整個設計過程中，控制輻射貼片處于正方形態，這種情況下輻射單元長度無限接近輻射貼片寬度，這種情況下可形成圓極化微帶天線。在經過實際計算過程中50Ω饋電電位如果與輻射貼片形成對角線，其兩者頂點距離在（0.35～0.39）d之間。將北斗導航系統工作頻率進行計算考慮，同時結合天線單元尺寸因素，介電常數以及厚度參數分別為4.4，1.6mm，可以計算出以下參數。Ω=58.48mm，=4.2，=0.74mm，L=45.55mm。

2.4信道單元設計

在本次設計過程中依據實際的技術需求將信道單元設計分為兩部分，第1部分為射頻前端，第2部分為變頻。在兩部分內容設計過程中對其進行技術分配主要內容包括以下幾點。（1）射頻前端模塊設計需要重點關注以下指標。輸入信號，輸出信號，通道間隔離度，通道增益輸出，噪聲系數，帶外抑制，帶內抑制，電源及功耗等，這些指標均是射頻前端模塊設計過程中必不可少的內容，同時需要進行參數要求。（2）抗干擾接收機信道模塊作為重要模塊，對整個抗干擾性能起到決定性影響，如果幅相存在差異對調零算法的調整深度將會造成重要影響，同時對信號的接收也會造成影響，因此在射頻通道設計過程中需要充做到細致，將北斗衛星接收的信號進行LNA處理，進行介質濾波器1變頻濾波，而后利用放大器1放大，再進行介質濾波器2濾波，放大器2，介質濾波器3，放大器3進行處理，最后信號輸出進行數字信號處理。（2）變頻模塊設計需要關注以下指標。本振頻率，中頻寬帶以及中頻通道。變頻模塊其主要是在不失真的情況下將高射頻信號轉變為低射頻信號，想要進一步保證信號處理的有效性需要進行一次變頻[3]。（3）信道模塊通常具有較多的信道數量，但是受到天線裝置的體積以及電磁等內容影響易造成見多信道干擾，而且信道模塊功能消耗大，因此在設計過程中需要充分結合電磁兼容和功耗情況，文章在設計中堅持了以下內容。a利用屏蔽槽將所有通道進行統一放置，以此防止各信道之間的相互干擾;b利用貼片安裝方法安裝器件，控制印制板厚度提高傳熱效果;c保證印制板接地設計，降低電磁干擾;d控制耐熱性差的元器件距離，做好隔熱裝置。

2.5信號處理器硬件設計

該部分設計主要是為了滿足中頻信號數字化采樣處理同時進行空時自適應處理算法，提高信號抗干擾能力，保證信號接收完整。在設計過程中需要對A/D器件進行功能選擇。速率控制在8MHz，采樣速率控制16MHz，并且需要保證極高分辨率，易14位以上A/D器件為主;針對接口特征，需要做到A/D器件能夠正常和變頻器連接，除此之外還需要綜合考慮編碼方法以及電平因素，在本次設計中A/D選擇79db信噪比，且采樣速率為130Msample/s的AD9460，其功耗為1.4W。

3自適應處理算法設計

上述文章分析針對自適應列陣天線在進行抗干擾處理過程中，可以利用空域濾波技術頻率濾波技術以及時域濾波技術和空時自適應濾波技術。寬帶干擾過程中時域濾波效果差，窄帶干擾中頻域濾波效果差，抗干擾自由度空域濾波效果不理想。而空時自適應濾波是基于上述三種濾波方法進行優化形成，既能夠有效提高抗干擾自由度，同時還可以從整體上提高抗干擾能力。通過對空時自適應濾波進行仿真，發現針對空時抗干擾可以明顯提高對抗干擾數，能夠滿足窄帶干擾以及寬帶干擾需求，基于理論研究，其抗寬帶干擾3個改善因子≥40db。

結束語

文章主要是針對彈載北斗抗干擾天線系統進行設計分析，分析抗干擾天線原理，并且對天線陣子設計、天線組成單元設計、信號單元設計、信號處理器設計以及自適應處理算法設計等內容進行分析，為實際彈載北斗導航天線抗干擾系統研究提供指導。

參考文獻

[1]張文君. 基于北斗衛星導航系統的多頻段天線研究與設計[D].山東科技大學，2018.

[2]涂小嵐，張廣馳，萬林青，崔苗，林凡.多天線主動竊聽系統的干擾機優化設計[J].計算機應用研究，2019，36（01）：254-257.