小型化抗干擾導航天線研究

商黎榮 高飛 俞根明

摘 要：由于環境中的電磁干擾，衛星導航系統的抗干擾能力成為判斷其有效性的重要指標?；谔炀€陣列，采用自適應導航干擾防護技術，這類天線存在孔徑大的缺點。為解決導航系統中接收機易受干擾的問題，本文研究抗干擾天線陣。基于電磁波干擾的天線陣模型的性質，研究了基于天線理論的陣列微型化設計。比較目前的抗干擾導航技術，分析了相關理論和天線陣的輻射特性，結合干擾原理，研究了小型化抗干擾技術，為天線設計的小型化提供一定的參考。

關鍵詞：小型化抗干擾;導航天線;研究

中圖分類號：TN82 文獻標識碼：A

衛星導航系統為各種天氣條件下提供高精度的時間和空速等信息，衛星導航系統的應用對于國家機關事業的運作安全具有重要的意義。衛星導航系統由于接收機信號功率很低，在設備運行中對信號較為敏感，自適應干擾抑制已成為導航接收機不可或缺的功能。隨著我國科學技術無線電工程的發展，各種電子設備得到了高效的使用和集成，接收機應盡可能做到小而輕。在自適應干擾保護中，增加天線數量有利于抑制更多干擾信號。因此，進一步研究小型化抗干擾導航天線，以在有限的空間內容納更多的元件。

1 極化域抗干擾導航天線技術應用

1.1 抗干擾導航天線設計

隨著科學技術和導航系統的發展，各種導航天線不斷涌現。為提高接收機的抗噪能力，多頻導航天線可防止極化場干擾。多頻抗干擾極化天線的應用實現了多頻諧振，頻率覆蓋GPS和北斗衛星，在使用中可以接收多個導航信號。當某個頻段故障時，其他系統可以不受故障設備的影響，仍然提供導航定位，天線可以抑制極化干擾。因此，可以有效地提高導航適應性。導航天線結構緊湊，滿足小型化的使用要求。分析極化場抗干擾功能的導航天線的設計，全面了解它的性能及其抗極化場干擾。支持同時接收導航頻率的信號，滿足多頻導航天線要求，簡化天線的復雜度和減小體積。根據衛星導航天線型號和性能要求，構建在極化場具有抗噪的導航天線，多層結構天線可以滿足要求。得益于非金屬外殼的設計，優化天線模型，提高了不同堆疊的絕緣性。通過短路觸點的設計，長同軸觸點感抗降低，多個堆疊絕緣得到改善[1]。

1.2 抗干擾性能

極化區多頻抗干擾天線提高抗干擾導航接收機的性能。在多個頻段諧振，可以有效地覆蓋多個系統，以此來實現頻率分集的最佳使用效果。天線雙圓極化激勵，實現干擾的自適應衰減。對于現代導航系統，接收到的信號是右旋圓極化波，抗干擾的天線利用圓極化區分信號和干擾。右激勵接收衛星信號，左圓極化激勵接收不包含有用信號。通過調整天線左圓極化中干擾的幅度來達到抑制干擾，使右圓極化干擾反相疊加。對于極化電磁波的實際工作中，垂直和水平極化分解來自正交的極化分量，以此來確定極化角來表征信號的特性。理想情況下，信號為右旋圓極化波，天線也具有右旋圓極化，接收天線的極化與入射角有關，水平方向的極化特性較弱。對于小角度衛星導航信號，接收天線與信號通常存在極化失配，分析導航信號和天線的極化，分析極化失配對干擾保護影響。在實際應用中，天線的雙極化分量并不完全正交，確定雙極化天線的極化角，分析天線極化不正交引起的誤差。由于導航信號為右旋圓極化波，右旋信道作為參考信道，對不同極化輸入干擾信號進行仿真，極化區抗干擾天線可抑制干擾。信號與天線的主極化有偏差，雙極化不完全正交。因此，在使用的理想條件下，子天線具有理想極化，對于天線的主極化右旋圓極化，天線的輔助極化為左旋圓極化。當極化角為45度時，右旋圓極化電磁波，當干擾偏振角為45度時，干擾和信號具有相同的偏振模，主極化和輔助極化無法有效地進行識別干擾。因此，如果干擾極化為-45度時，主極化此時可以與電磁波發生正交，主極化不包含干擾，不需要抗干擾和信號，噪聲也非常小。當極化為線極化波時，去除干擾后信噪增益達到最大值，雙極化天線達到最大的干擾防護效果。由于線極化的干擾，左右圓極化天線的功率等于干擾的一半，噪聲功率抵消后，噪聲功率疊加。當干擾為線極化電磁波時，信噪比比輸入噪聲比低。當干擾接近噪聲功率時，將平衡噪聲和干擾抑制對信噪比的影響。存在主極化與信號的極化不一致的情況，微帶天線圓極化軸的比值較弱，偶極子天線的抗干擾與理想情況略有不同。在理想情況下，當電磁波的極化角為-45度時，由于主極極化陡峭，認為它是左圓極化，天線的主要極化成分不含干擾，對應的信噪比小。因此，如果干擾與信號的極化匹配，此時的偶極子天線無法全面地識別有效的信號和其他干擾，同時信噪比趨于零。在實際應用中還存在普遍的情況，即雙極化天線極化正交不理想。當電磁干擾波方向與主極化垂直時，主極化分量不受阻礙，當有用信號與電磁波相同時，會發生抑制錯誤。在仿真分析下，偶極天線可以提高系統的抗干擾能力。對于噪聲比大的線極化噪聲干擾，雙極化天線達到保護抗干擾的效果[2]。

2 容性加載小型化導航天線

2.1 容性加載導航天線設計

導航系統接收機接收更多信號，以此來實現快速準確定位。基于衛星位置不斷變化，接收端圓極化天線的軸比對極化匹配的特性有很大的影響。為了在小型化中增加軸比波瓣的寬度，將兩對電偶極子放置在方形結構中，保持極子距離近似。為了縮小天線尺寸，用彎曲電偶極子代替線性極子，縮小天線的設計尺寸，擴大軸比波瓣。為了解決天線存在的雙向輻射問題，需要用等效極子代替電偶極子，引入加載等效磁偶極子，以實現軸比寬度的小型化和擴展。通過制作矩形槽來增加路徑，實現小型化，并在相同尺寸下將頻率降低。為了進一步將天線頻率降低，天線優化了負載通信線路的閉合，采用電容T型短路，將天線的頻率降低，減小了天線的尺寸。盡管天線尺寸較小，但在范圍內天線的增益仍超過3.4dB，在范圍內的輻射效率超過72%，滿足了天線軸比要求。緊湊型圓極化天線滿足系統對接收天線的要求[3]。天線阻抗帶寬可以覆蓋工作頻率范圍，具有良好的通信特性。

2.2 抗干擾導航天線陣列

由于導航信號地表微弱，并且比接收機噪聲還要低，復雜電磁環境中射頻干擾信號的電平要比導航信號高得多。在強干擾和弱信號環境下，容易出現誤檢測，需要采用有效的抗干擾技術。為測試小型導航天線在干擾抑制中的應用，以天線為單元組成陣列，結合自適應干擾，將設計的天線轉化為圓形點陣，分別是均勻分布。由于天線采用了導航天線的微型設計，天線陣列的尺寸很小，抗干擾格柵的效果會降低。在干擾防護中，天線陣列包含陣列元素，假設陣列的所有元素同質，陣列元件都連接到接收通道、信號降頻轉換和濾波，以此來得到二次分量。自適應干擾技術是根據接收信號序列的二次統計特性，計算出最優序列向量，使序列適應干擾，以確保接收到所需信號。該算法選擇最佳權重，最小化陣列避免向量的權重添加一定的限制。應用信號失真，基于建模將天線單元模型引入。建模時采用全波建模，仿真的定向模型在干擾方向都產生零，陣列模型深度相比，結果通常具有一致性，差異主要是由于陣列之間的關系，陣列模型在導航信號方向增益僅比最大增益小，因天線陣列能夠抑制干擾信號[4]。84FD1F7B-10CA-48F5-B4BD-8A446B8D99D8

3 耐高溫導航天線

3.1 耐高溫導航天線設計

多頻導航天線極化干擾會在極化區產生干擾，防止抗干擾受天線極化特性的限制，為了提高天線的抗噪效率，陣列常用于抗干擾領域，利用天線陣列特性，實現空間濾波的效果。結合導航系統的特點生成天線陣列約束條件，寬波束圖的形成作為自適應參考波束，以便信號的正常接收。自適應干擾適應的干擾量受陣元數量的限制。使用天線抑制干擾，分析對零模式影響，以及抑制對干擾的影響，找到合適的陣列結構，使零點時陣列模型的零域變小，提供衛星信號接收。當天線陣小型化時，對陣元空間進行壓縮，分析由此引起的徑寬度的曲率程度。陣列單元塊的工作頻率覆蓋了系統頻點，每個單元接收電磁信號，通過射頻轉換為數字信號。信號處理利用陣列單元接信號的相關性評估信息。信號處理根據信號方向和干擾方向，產生數字波束以增加信號的功率，并在干擾設置零點以抑制干擾。由于在高速飛行時摩擦會產生高溫，天線必須在400℃下長期工作，導航系統采用耐高溫天線。耐高溫導航天線確保可在400℃下正常運行，滿足高速飛行器環境要求，保證天線結構在高溫下的穩定性，保證電氣特性能適應溫度變化，減少天線對飛行器動力學的影響，設計應具易于著陸的特性，微帶天線可以滿足要求，因此應用廣泛。制造微帶天線在介質基板上安裝天線塊和饋線網，要選擇表面光滑的基材，在對基材進行粗磨精磨后鍍上金屬鉻，再通過蒸發鍍上金屬膜，金屬膜使用銅或銀，根據天線設計對金屬薄膜光電鍍。根據天線設計模型制作底圖，根據底圖使用電阻制作電阻的模型，選擇合適的蝕刻速度，完成整個過程。對于天線在400℃等環境下，由于銅板和介質板銅箔熱膨脹系數不同，內應力會不斷增大，造成銅箔彎曲甚至脫落，金屬膜與介質基板附著力明顯降低。高溫天線要解決的問題是改進基礎構件的生產制造工藝，提高天線的對高溫的有效自適應性。由于基板特性在溫度下不是靜態的，相關材料會隨著溫度升高，基板會降低天線的實踐使用特性。隨著環境溫度升高，基板的介電常數增大，損耗角正切增大。微帶天線諧振點隨著溫度的升高而降低，分析天線諧振頻率和損耗角正切之間的關系，天線帶寬隨著溫度的升高而降低。溫度變化對天線形狀影響很小，溫度的變化會扭曲圓極化軸的比率。微晶玻璃和石英陶瓷參數隨溫度的變化而變化，介電常數正切隨溫度的不斷升高而繼續增加。因此，在具體的設計小型化天線時，對于相關的參數指標需要有足夠的設計余量，以此來有效保證相關構件可以正常地在工作溫度范圍內使用。耐高溫天線針對高溫對天線的影響，天線基材采用耐高溫陶瓷材料，底座采用不銹鋼材料，提高耐高溫性，可以承受1000℃的高溫而不會損壞。加工組裝不需要焊接，材料和底座以電源點為基礎，用螺釘固定，以確保組件在高溫下可靠的電氣連接，線輸出使用反極性連接器。對于小型化天線設計需要考慮寬帶、短路結構和平衡溫度對天線功能使用性能的正常影響?；牡徒殡娞沾苫逶谔炀€設計中的合理使用，可以有效地擴大天線的使用帶寬，科學地保證帶寬在特定溫度環境下的余量。降低同軸電源觸點的電感，實現阻抗匹配特性。預調耐高溫天線，消除溫度升高導致諧振點頻率降低的影響。導航天線提供右圓極化，覆蓋上半球空域，衛星導航高溫穩定陣列，每個單元獨立接收GPS頻率范圍的信號。天線由陶瓷整流罩、金屬固件，散熱器由微晶陶瓷制成，介電損耗具有良好的透波性能?？奂身攲雍偷讓咏M成，頂層代表外部框架，用于固定整流罩，底層是陣列基礎，內置圓形凹槽，凹槽填充耐高溫材料，外金屬框架的導熱。貼片由陶瓷基板、焊盤、電源引腳組成。鎖定銷連接到電源觸點，達到阻抗匹配特性。使用對角線截面的方法來實現圓偏振，通過外部同軸電纜連接，陣列天線由微帶線組成，圍繞天線陣列對稱分布。由于加工和組裝精度誤差，物理測試的諧振頻率與仿真不同。在邊緣的中間增加了可調設計，以調整物理引起的諧振頻率偏差。微帶天線的縫隙根據測得的諧振頻率調整。鎖銷放置在微帶線中間，將陶瓷基板固定在底座上，降低電源引腳的電感，獲得阻抗匹配特性。切割微帶貼片相對角激發正確的圓極化，電源位置在天線正下方時，小心切割天線的左下角，激發出右圓極化波[5]。

3.2 陣列天線抗干擾性能

對于導航天線陣列信號處理器接收來自不同部分的信號，在實際使用中具有提取信號的特征，并可以有效地評估信道參數。通過參數和其他相關數據，調整陣列幅特性，使信號滿足疊加，提高信號的信噪比，相應的障礙物被去除，達到抑制的效果。天線陣列濾波效率是陣列的空間拓撲結構，是天線陣列的限制因素，決定了對空間信息的響應。線性陣列區分角度分量，空間響應具有不確定性。平面陣列在使用中具有分量的分辨率，同時對于不同平面分辨率在具體過程中也大不相同。因此，在設計過程，需要合理地確定陣列拓撲，權重決定了響應特性。陣列的權重調整波束方向。在自適應干擾保護中，調整陣列的權重，使零點與陣列方向重合。在衛星導航系統抗干擾中，陣列響應在其他方向正常接收信號。為了測量指標，陣列模型保留帶寬，寬度定義為陣列增益響應角區寬度。當陣列模型零點設置時，延遲區域的寬度是關鍵參數。陣列對不同的信號響應存在差異。在不同方向設置零點時，常用陣列結構區域寬度存在差異。在不同的方向進行調整，角寬推力帶內不同振動最小點陣為零。六邊形和最大波動在陣列中，由于陣列中心對稱旋轉，保留帶角場寬度也有周期性變化。陣列具有軸對稱性，對不同輸入波的響應不變。六邊形陣列是對稱的，保留帶的角場寬度也會定期變化。因此，六邊形和圓形振蕩非常小，適用于自適應抗干擾應用[6]。

結語

綜上所述，針對小型天線導航系統對干擾的需求，縮小天線的小型化，并改善軸比波瓣。在小型天線的基礎上構建天線陣列，利用干擾預防得到最優陣列，證明了小型圓極化天線的天線陣列在干擾防護系統中可以抑制干擾信號。

參考文獻：

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[5]陳飛強，聶俊偉，蘇映雪，王飛雪.載波相位輔助的衛星導航天線陣抗干擾算法[J].國防科技大學學報，2015，37（06）：69-73+83.

[6]黃東.北斗導航天線陣列自適應處理的研究和實現[D].南京理工大學，2015.

作者簡介：商黎榮（1982— ），男，漢族，浙江嘉興人，本科，工程師，研究方向：電子器件、信號處理。84FD1F7B-10CA-48F5-B4BD-8A446B8D99D8