和差波束測角在電子偵察系統中的應用

侯文棟，黃開木，馮晨峰，劉志武，聶海江，吳克釗

（1.中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京 210007；2.中國人民解放軍93126 部隊，北京 100875）

0 引言

測向一直是雷達情報偵察設備的一項重要用途。測向接收機所要完成的是快速、準確地測量空間輻射源的方向。和/差波束測角作為測向體制中的一種，有著結構簡單、體積小、使用方便等優點。其本質為在一個角平面范圍內形成2 個部分重疊的方向性函數相同的波束，將2 個波束進行和/差處理得到和波束與差波束，進一步利用這2 個波束進行處理可以提高系統性能。

對于單脈沖信號，差信號去掉相位信息，保留幅度信息，利用和波束減去差波束得到的波束，在不增大雷達天線尺寸的條件下采用和差波瓣壓縮技術來實現測向。但傳統的和差波束校準時僅僅利用了幅度信息而導致測向精度與系統瞬時帶寬緊密相關，在寬帶電子偵察系統中應用受到限制。針對這一難點，本文設計仿真了四種不同的和差波束天線并分析其優缺點，通過幅度相位聯合校準機制，擴展了帶寬和測向精度，為該體制天線在通用電子偵察中的應用指明了方向。

1 和差波束測向的理論基礎

和差波束天線最典型的是等角螺旋天線，具有其它各種類和差天線的基礎特點。等角螺旋天線的臂是由2 條螺旋線構成，它們在極坐標系中的方程為：

式中，、分別為臂的外邊緣及內邊緣螺旋線矢徑，為臂寬角，為起始極徑，為極角，為螺旋率，表示螺旋線纏繞的緊密程度，越小，螺旋線纏繞的越緊密。當相鄰兩臂之間的空隙與臂的形狀完全相同時，天線為自互補結構。

等角螺旋天線作為接收天線時，假設天線放在平面上，以(,)角度入射的平面波傳播方向的單位矢量可表示為：

入射的平面波可表示為：

式中，和分別為入射波的幅度和極化方向，→為觀察點的位置矢量，=2π/，和分別為入射波在自由空間中的波數和波長。

天線第條臂終端感應的開路電壓為V，端口電壓經過模式形成器形成的階模的模式輸出電壓可以表示為：

式中，W=e，為天線端口總數。

當入射波為極化時，階模模式電壓輸出為：

當入射波為極化時，階模模式電壓輸出為：

式中，J(sin)和J(sin))是第一類貝塞爾函數，ψ是一個只與螺旋線的幾何形狀有關的相位因子。

可以看出，模式形成器輸出的模式電壓的幅度與有關而與無關，相位與ψ、有關而與無關，而ψ可由入射波在=0 時得到的模式電壓的相位進行補償消除，因此經相位補償后階模的模式電壓相位等于。因此可以通過各階模模式電壓的幅值比來確定角；通過各階模經相位補償后的模式電壓相位來確定，這就是比幅比相的理論基礎。

2 四種和差波束天線的設計及仿真分析

本節考慮了四種和差波束天線，天線作為接收天線放在平面上。四種天線的種類和規格如圖1所示，分別為：正弦天線（直徑96 mm，厚度40 mm）；正弦天線（直徑140 mm，厚度45 mm）；對數周期天線（160 mm×100 mm×87.5 mm）；阿基米德螺線天線（直徑74 mm，厚度17 mm）。

圖1 四種天線的種類和規格設計圖

采用基于矩量法(MoM)的電磁場數值計算軟件FEK0 對上述模型進行數值仿真，由于該軟件無法測量天線端口的開路電壓，因此仿真中開路電壓測量采用與實際天線開路電壓測量相似的方法，在各天線端口與地之間各接一個阻值遠大于天線內阻的負載，測量該負載上的電流，該電流與負載阻值的乘積近似為端口開路電壓。在設計時，把天線作為輻射天線時測得各臂阻抗不超過200 Ω，在作接收天線時負載電阻取為10 MΩ，遠大于天線內阻。

經過仿真分析，得出四種天線的和差波束，其3D方向圖如圖2 所示,其和差波束增益和相位隨角度變化圖如圖3 所示。

圖2 四種天線的和差波束3D 方向圖（4 GHz）

圖3 四種天線的和差波束增益和相位隨角度變化圖（4 GHz）

在偏離正前方角度±60°范圍內，對上述四種天線和差波束差的增益差求導，并對導數的絕對值求均值，可得表1。

表1 增益差曲線導數絕對值的均值 dB/（°）

在偏離正前方角度±20°范圍內，對上述四種天線和差波束差的增益差求導，導數的絕對值的最小值如表2 所示。

表2 增益差曲線導數絕對值的最小值 dB/（°）

從表中數據可知，阿基米德螺線天線在偏離正前方角度±60°范圍內，各頻點的斜率絕對值的均值最大，在垂直極化天線中，直徑96 mm 的正弦天線斜率絕對值的均值較大，對數周期天線在各頻點差異較大。在偏離正前方角度±20°范圍內，各頻點的斜率絕對值的最小值較大，2 款正弦天線的斜率絕對值最小值相近，對數周期天線在各頻點差異較大。故阿基米德螺線天線的角度分辨率較高，但是阿基米德螺線天線是圓極化做和差波束，其和差網絡較為復雜。

3 微波暗室測試及結果分析

從上節仿真分析中得知，四種天線結構各有優缺點，本節特意選取第三種對數周期天線（160 mm×100 mm×87.5 mm）作為樣例，并在微波暗室中進行了實際的測試實驗，其幅度差和相位差隨角度變化如圖4 所示。

由圖4 可見，實際天線的幅度差和相位差和理論相比，在邊緣兩側±（50°～30°）區間變化趨勢變得平緩，可以預見，在此區間的測向誤差會變得很差。

圖4 對數周期天線樣機和差波束特性

圖5 為測向角度隨入射角度變化圖，采用的校準方法是將幅度差和相位差一起校準。從結果來看，校準有效剔除了在個別點的奇異值，提高了測向精度。

圖5 測向角度隨入射角變化圖

4 結束語

相比于干涉儀體制，差波束測角技術具有天線結構簡單、設備通道數少、成本低、平臺試裝性強等優勢，在電子偵察尤其是反輻射導引頭方面得到了應用。但傳統觀點認為，和差波束測角本質上仍屬于比幅測向體制，測向精度低，限制了其在通用電子偵察要求測向精度高的場合的應用。本文通過理論分析、實驗驗證，優化了和差波束校準方法，提高了其測向精度，有望將其應用于通用電子偵察中。■