交替極化陣列對消盲區(qū)分析與驗證

高宏璋, 葛松虎, 郭 宇,*, 劉 讓, 孟 進

(1. 海軍工程大學(xué)軍用電氣科學(xué)與技術(shù)研究所, 湖北 武漢 430033;2. 海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室, 湖北 武漢 430033)

0 引 言

在現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)場中,雷達抗干擾技術(shù)在信息“高地”的爭奪中發(fā)揮著舉足輕重的作用。基于極化敏感陣列的空-極化域聯(lián)合抗干擾技術(shù)擁有比單域抗干擾技術(shù)更強的抗干擾能力,是當今雷達抗干擾技術(shù)的研究熱點[1-3]。交替極化陣列是最基礎(chǔ)的極化敏感陣列之一。交替極化陣列不僅具有較強的抗干擾能力,而且擁有設(shè)備成本低、天線互耦低等優(yōu)點,具有非常高的實用價值[4-5]。

然而,實戰(zhàn)條件下電磁環(huán)境異常復(fù)雜,干擾信號可能為任意空間來向和任意極化狀態(tài)。當干擾信號的空域和極化域特征與目標信號相似時,空-極化域聯(lián)合抗干擾技術(shù)在消除干擾的同時也會抑制目標信號,導(dǎo)致干擾對消后信干噪比(signal to interference plus noise ratio, SINR)低于雷達系統(tǒng)需求,從而形成干擾對消盲區(qū),例如極化狀態(tài)與目標信號近似的主瓣干擾。

為了提高陣列的抗干擾能力,學(xué)者們提出了多種行之有效的方法。在空域抗干擾方面,文獻[6-8]利用人工蜂群算法、蝙蝠算法等,通過改變陣元間距、陣元數(shù)目,優(yōu)化得到最小峰值旁瓣電平,從而提高了陣列抑制旁瓣干擾的能力;文獻[9-12]通過構(gòu)造互素陣列,得到最大自由度和更大的陣列孔徑,從而提高了陣列的抗干擾能力。文獻[13-14]設(shè)計了一種大孔徑輔助陣列,該陣列能夠有效提高主瓣干擾下的輸出SINR。以上方法通過優(yōu)化陣元間距、陣元數(shù)目等,從不同角度提高了陣列的抗干擾能力,但是改變陣元間距和陣元數(shù)目也會影響對消盲區(qū)的分布,因此還需考慮優(yōu)化結(jié)果對對消盲區(qū)的影響。在極化抗干擾方面,文獻[15-19]利用極化域抗干擾技術(shù),通過優(yōu)化發(fā)射極化與接收極化實現(xiàn)抑制干擾、增強目標的方法,從而提高了陣列的抗干擾能力,但是該方法只是通過改變陣列天線的極化狀態(tài)來規(guī)避對消盲區(qū),并不能減小對消盲區(qū)的影響。在空-極化域聯(lián)合抗干擾方面,文獻[20-21]研究了共點極化線陣的干擾對消性能,文獻[22-23]研究了交替極化陣列的干擾對消性能,文獻[24-27]研究了空頻極化抗干擾技術(shù)和空時極化抗干擾技術(shù)的干擾對消性能,這些方法通過多域聯(lián)合對消提高了陣列抗干擾能力,但在各域上還是存在對消盲區(qū)。

為了提高交替極化陣列對消任意空間來向、任意極化狀態(tài)干擾的能力,本文針對交替陣列對消盲區(qū)問題展開研究。本文首先通過建立交替極化陣列對消盲區(qū)的空域、極化域和空-極化域模型,推導(dǎo)了對消盲區(qū)位置和大小的數(shù)學(xué)表達式,從而解決了交替極化陣列對消盲區(qū)的定量描述問題。然后基于交替極化陣列對消盲區(qū)的數(shù)學(xué)表達式,分析了對消盲區(qū)的分布規(guī)律與影響因素,發(fā)現(xiàn)陣元間距能夠顯著影響對消盲區(qū)的分布,且交替極化陣列對消盲區(qū)大于共點極化陣列對消盲區(qū)。之后基于對消盲區(qū)模型進行了數(shù)值仿真,仿真結(jié)果驗證了理論分析。最后基于信道模擬器搭建了實驗驗證平臺,通過實驗證明了理論分析的有效性。

1 交替極化陣列模型與對消盲區(qū)模型

1.1 交替極化陣列模型

如圖1所示,交替極化陣列由M個陣元組成(M為偶數(shù)),陣元間距為d。每個陣元由一個偶極子天線組成,相鄰的兩個天線極化狀態(tài)相互正交。令第一個陣元中的天線為主天線,其余天線為輔助天線。

圖1 交替極化陣列Fig.1 Alternate polarization array

令目標與干擾都在xoy平面內(nèi),即目標信號與干擾信號的俯仰角為θ=π/2。令方位角分別為φs、φi,極化幅角分別為γs、γi,極化相位差分別為φs、φi。令ass為目標空域?qū)蚴噶?aps為目標極化域?qū)蚴噶?asi為干擾空域?qū)蚴噶?api為干擾極化域?qū)蚴噶?則有:

(1)

令as為目標信號空-極化域?qū)蚴噶?ai為干擾信號空-極化域?qū)蚴噶?則有:

(2)

式中:?為Hadamark積。當期望信號方向和協(xié)方差矩陣已知,且期望信號與干擾和噪聲互不相關(guān)時,陣列輸出SINR可以表示[5]為

(3)

1.2 交替極化陣列對消盲區(qū)模型

雷達系統(tǒng)所需最小信噪比(signal to noise ratio, SNR)為一定值[28],令雷達系統(tǒng)的SNR閾值為χ1,則在干擾背景下,當對消后SINR<χ1時,干擾信號位于對消盲區(qū)。假設(shè)雷達主波束始終對準目標,發(fā)射信號的極化狀態(tài)為垂直極化,則有φs=0,γs=π/2,φs=0。因為現(xiàn)役雷達大部分采用線極化信號[29],例如美國的AN/SPS-48、AN/SPS-49、AN/SPS-64、AN/APS-134以及AN/APS-145等,所以本文研究了線極化干擾下交替極化陣列的對消盲區(qū)。對于圓極化干擾和橢圓極化干擾,還需在本文研究結(jié)論上進行擴展,考慮極化相位差引起的對消盲區(qū)。

1.2.1 空域?qū)ο^(qū)模型

當只考慮空域?qū)ο^(qū)時,令φi在[-π/2,π/2]內(nèi)變化,γi=π/2,φi=0。則有:

(4)

將式(4)代入式(3),再結(jié)合ρ<χ1得

(5)

式中:β=(1-cos(Mηi))/(1-cos(2ηi));rINR=Pi/Pn;rSNR=Ps/Pn。令盲區(qū)判決函數(shù)為L,盲區(qū)閾值為χ2,空域?qū)ο^(qū)為Bs。由式(5)得到交替極化陣列空域?qū)ο^(qū)模型為

(6)

1.2.2 極化域?qū)ο^(qū)模型

只有當φi位于空域?qū)ο^(qū)時,極化域上才存在對消盲區(qū)。因此,當只考慮極化域?qū)ο^(qū)時,令φi位于空域?qū)ο^(qū),令γi在[-π/2,π/2]內(nèi)變化,φi=0。則有:

(7)

將式(7)代入式(3),再結(jié)合ρ<χ1得

(8)

令極化域?qū)ο^(qū)為Bp。由式(8)得到交替極化陣列極化域?qū)ο^(qū)模型為

(9)

1.2.3 空-極化域?qū)ο^(qū)模型

當考慮空-極化域?qū)ο^(qū)時,令φi、γi在[-π/2,π/2]內(nèi)變化,φi=0。易得空-極化域?qū)ο^(qū)模型的盲區(qū)閾值與極化域?qū)ο^(qū)模型相同,空-極化域?qū)ο^(qū)模型的盲區(qū)判決函數(shù)L與極化域?qū)ο^(qū)模型相似,區(qū)別僅為前者φi未知,后者φi已知。令空-極化域?qū)ο^(qū)為Bsp,則空-極化域?qū)ο^(qū)模型為

(10)

2 交替極化陣列對消盲區(qū)分析

2.1 空域?qū)ο^(qū)分析

2.1.1 空域?qū)ο^(qū)模型分析

式(6)給出了空域?qū)ο^(qū)模型,由L(φi)>χ2得

(11)

式(11)中,只有ηi中存在φi,又cos(Mηi)和cos(2ηi)在φi∈[-π/2,π/2]對稱,可見空域?qū)ο^(qū)在[-π/2,π/2]對稱分布。因為φi只存在于ηi中,因此可由ηi的取值范圍得出空域?qū)ο^(qū)的范圍。對于式(11),ηi的取值范圍為

ηi∈(0,ε)∪(π-ε,π+ε)∪…∪(nπ-ε,nπ+ε)

(12)

式(12)中,n為正整數(shù),ε∈(0,2π/M)且滿足式(13):

(13)

由ηi分塊分布可知交替極化陣列空域?qū)ο^(qū)由多個子盲區(qū)組成。在[0,π/2]上,按照方位角從小到大的順序,將空域子盲區(qū)編號,將子盲區(qū)位置用Asn表示,大小用Bsn(n=0,1,2,…)表示,結(jié)合ηi=(2πdsinφi)/λ與式(12),得到每個子盲區(qū)的位置與大小,并將所有子盲區(qū)相加得空域?qū)ο^(qū)Bs,如下所示:

(14)

(15)

(16)

式(14)～式(16)中,n為正整數(shù)。由式(14)可知,在[0,π/2]上,空域?qū)ο^(qū)由多個子盲區(qū)組成,隨著陣元間距d增大,子盲區(qū)的個數(shù)變多。

為了方便書寫,令:

(17)

通過求導(dǎo)可知,Bs0在Q1內(nèi)保持不變,在Q2內(nèi)單調(diào)遞減;Bsn在Q3內(nèi)單調(diào)遞增,在Q4內(nèi)單調(diào)遞減。Bs在Q5內(nèi)單調(diào)遞減;在Q3內(nèi)單調(diào)遞增。由此可得,當d=nλ/2-λε/2π時,Bs取極小值。

2.1.2 與共點極化陣列空域?qū)ο^(qū)對比分析

(18)

由式(18)與式(13)易得

(19)

假設(shè)ε′≥ε,則有:

(20)

因為式(18)與式(19)矛盾,所以ε′≤ε。由文獻[30]可得,共點極化陣列空域?qū)ο^(qū)大小為

(21)

結(jié)合式(21)與式(16)可知,在相同條件下,交替極化陣列的空域?qū)ο^(qū)大于共點極化陣列的空域?qū)ο^(qū)。

2.2 極化域?qū)ο^(qū)分析

2.2.1 極化域?qū)ο^(qū)模型分析

式(9)給出了極化域?qū)ο^(qū)模型,由L(d,γi)>χ2得

(22)

因為sin2γi在[-π/2,π/2]對稱,所以極化域?qū)ο^(qū)在[-π/2,π/2]對稱分布。[0,π/2]內(nèi),得到交替極化陣列極化域?qū)ο^(qū)的位置(Ap)與大小(Bp)分別為

(23)

(24)

2.2.2 與共點極化陣列極化域?qū)ο^(qū)對比分析

(25)

因為Bp>0,從而得到式(26)成立:

(26)

因為:

(27)

因此,有:

(28)

2.3 空-極化域?qū)ο^(qū)分析

2.3.1 空-極化域?qū)ο^(qū)模型分析

由第1.2.2節(jié)分析可知,只有當干擾信號的方位角φi位于空域?qū)ο^(qū)時,極化域上才存在對消盲區(qū),所以在空域?qū)ο^(qū)內(nèi)對Bp積分即可得空-極化域?qū)ο^(qū)。在[0,π/2]上,按照方位角從小到大的順序,將空-極化域子盲區(qū)編號并分別用Bspn(n=0,1,2,…)表示,得到每個子盲區(qū)的大小,其表達式為

(29)

將所有子盲區(qū)相加得到空-極化域?qū)ο^(qū)Bsp,其表達式為

(30)

因為空域?qū)ο^(qū)與極化域?qū)ο^(qū)都在[-π/2,π/2]上對稱分布,可見空-極化域?qū)ο^(qū)也對稱分布。由式(29)可知,在[0,π/2]上,空-極化域?qū)ο^(qū)由多個子盲區(qū)組成且隨著陣元間距d增大,子盲區(qū)的個數(shù)變多。

結(jié)合第2.1節(jié)與第2.2節(jié),可以聯(lián)合空域?qū)ο^(qū)位置和極化域?qū)ο^(qū)得位置,得到空-極化域?qū)ο^(qū)位置。

2.3.2 與共點極化陣列空-極化域?qū)ο^(qū)對比分析

由第2.3.1節(jié)可知,在空域?qū)ο^(qū)內(nèi)對Bp積分即可得空-極化域?qū)ο^(qū),因此空-極化域?qū)ο^(qū)大小Bsp與Bs和Bp呈正相關(guān)。

由第2.1和第2.2節(jié)可知,相同條件下交替極化陣列的空域?qū)ο^(qū)大于共點極化陣列的對消盲區(qū),且交替極化陣列極化域?qū)ο^(qū)大于共點極化陣列極化域?qū)ο^(qū)。因此,相同條件下,交替極化陣列空-極化域?qū)ο^(qū)大于共點極化陣列空-極化域?qū)ο^(qū)。由此可知,交替極化陣列雖然通過減少天線數(shù)目降低了設(shè)備成本,但增大了陣列的對消盲區(qū)。

3 對消盲區(qū)模型的數(shù)值仿真與實驗驗證

數(shù)值仿真與實驗采用四元交替極化陣列,各參數(shù)為λ=0.1 m、χ1=12.6 dB、SNR=20 dB,干噪比(interference to noise ratio, INR)為40 dB。其中λ=0.1 m時,電磁波位于L波段,L波段是遠程地對空警戒雷達首選波段[31];χ1=12.6 dB對應(yīng)的探測概率為0.5,虛警概率為10-8,符合實際應(yīng)用指標[28];SNR與INR取值同樣符合實際情景,需要指出的是,雷達系統(tǒng)能夠通過脈沖壓縮和脈沖積累提高SNR,而本文側(cè)重于干擾對消技術(shù),因此采用經(jīng)過脈沖壓縮與脈沖積累處理后的SNR。以上參數(shù)均在合理范圍內(nèi),且改變參數(shù)不影響實驗結(jié)論。

3.1 數(shù)值仿真

定義空域?qū)ο^(qū)占比為Rs=2Bs/π,極化域?qū)ο^(qū)占比為Rp=2Bp/π,空-極化域?qū)ο^(qū)占比為Rsp=4Bsp/π2。通過數(shù)值仿真,得到對消盲區(qū)占比,如圖2所示。

圖2 對消盲區(qū)占比示意圖Fig.2 Schematic diagram of cancellation blind area proportion

由圖2(a)可以看出,交替極化陣列的空域?qū)ο^(qū)占比隨陣元間距增加呈現(xiàn)衰減振蕩趨勢且在d=nλ/2附近存在極大值與極小值,當d=λ/2-λε/2π≈0.45λ時,空域?qū)ο^(qū)占比有最小值Rs=5.6%。

圖2(b)給出了d=0.5λ時極化域?qū)ο^(qū)占比。由圖可知,當干擾信號的方位角位于空域?qū)ο^(qū)時,極化域?qū)ο^(qū)占比才不為0。

通過微元法求解式(30),得到圖2(c)。由圖2(c)可以看出,交替極化陣列的空-極化域?qū)ο^(qū)占比同樣隨陣元間距增加呈現(xiàn)衰減振蕩趨勢,且在d=nλ/2附近存在極大值與極小值。對比于空域?qū)ο^(qū),相同間距下空-極化域?qū)ο^(qū)占比更小,證明空-極化域擁有更強的抗干擾性能。在(0,2λ)范圍內(nèi),d≈0.45λ時,空-極化域?qū)ο^(qū)占比有最小值Rsp=1.06%,而d≈0.54λ時,Rsp=20.41%,可見陣元間距能夠顯著影響交替極化陣列對消盲區(qū)的大小。

將交替極化陣列對消盲區(qū)占比與共點極化陣列對消盲區(qū)占比對比,如圖2所示,交替極化陣列對消盲區(qū)占比大于共點極化陣列對消盲區(qū)占比。通過以上分析可得,圖2與理論分析一致。

為了充分驗證前面的分析結(jié)論,在空域與空-極化域等間距取適量點,利用判決式L>χ2,得到圖3和圖4所示的對消盲區(qū)分布示意圖。由圖3可以看出空域?qū)ο^(qū)在[-π/2,π/2]上呈對稱分布。圖中存在多個黑色/灰色的帶狀盲區(qū),且陣元間距增大,帶狀盲區(qū)增多,可見空域?qū)ο^(qū)模型的對消盲區(qū)由多個子盲區(qū)組成,隨著陣元間距增大,子盲區(qū)數(shù)目增多。按照第2.1節(jié)中空域?qū)ο^(qū)編號規(guī)則進行編號,可見0號盲區(qū)先恒等于π/2,而后一直減小,n號盲區(qū)先增大,而后一直減小。結(jié)合圖3和圖4可以看出,只有當干擾信號的方位角φi位于空域?qū)ο^(qū)時,才存在極化域?qū)ο^(qū)。圖4中各圖都以φi=0或γi=0為軸對稱,可見空-極化域?qū)ο^(qū)呈對稱分布。圖4中存在多個黑色/灰色的半橢圓狀盲區(qū),且陣元間距增大,盲區(qū)增多,由此可見空-極化域?qū)ο^(qū)分布圖由多個子盲區(qū)組成,隨著d增大,子盲區(qū)的個數(shù)變多。圖4(b)中黑色/灰色區(qū)域遠大于圖4(a)與圖4(c),說明d=0.5λ時空-極化域?qū)ο^(qū)大于d=0.2λ與d=0.75λ時,符合理論分析。

圖3 空域?qū)ο^(qū)分布Fig.3 Blind area distribution of space cancellation

圖4 空-極化域?qū)ο^(qū)分布Fig.4 Blind area distribution of space-polarization cancellation

圖3和圖4同時給出了交替極化陣列對消盲區(qū)與共點極化陣列對消盲區(qū)。對比兩圖可得,在該仿真條件下,交替極化陣列的對消盲區(qū)更大,且共點極化陣列的對消盲區(qū)包含于交替極化陣列的對消盲區(qū)。綜合以上分析可知,圖3和圖4符合理論分析。

3.2 實驗驗證

實驗系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 實驗平臺Fig.5 Experimental platform

如圖5(a)所示,首先信號和干擾注入到信道模擬器,然后通過信道模擬器對四個信道的信號調(diào)幅調(diào)相,將信號和干擾分別模擬到所需的空間來向和極化狀態(tài),之后在采樣模塊采集所需的數(shù)據(jù)樣本,最后在電腦上分析數(shù)據(jù)。實驗參數(shù)同數(shù)值仿真。

如圖5(b)所示,實驗系統(tǒng)包括信號源、干擾源、信道模擬器、采樣模塊和電腦。其中,信號源采用型號為SMR20的信號發(fā)生器生成1.000 01 GHz正弦波,干擾源采用型號為SMC100A的信號發(fā)生器生成0.999 99 GHz正弦波,信道模擬器采用思博倫Vertex信道仿真器,采樣模塊通過zc706數(shù)據(jù)板采集數(shù)據(jù),采樣后在PC端用軟件保存數(shù)據(jù),利用軟件處理數(shù)據(jù)。目標信號與干擾信號頻率錯開20 kHz是為了在頻譜觀察對消效果。

各信道間幅相關(guān)系可由信號的空-極化域?qū)蚴噶看_定。對于四元交替極化陣列,信號的空-極化域?qū)蚴噶扛髟貫?/p>

(31)

由式(31)可知,各信道的相位分別為-π、-η、-π-2η、-3η,各信道的幅度分別為sinγ、cosφcosγ、sinγ、cosφcosγ。

由于受線纜損耗不相同,采樣模塊對各信道采樣的幅相不一致等影響,還需對實驗數(shù)據(jù)進行幅相校準。本文用參數(shù)為φ=0、γ=π/4、φ=π/2的信號做基準信號。首先通過信道模擬器模擬出該信號,然后對該信號采樣,通過校準矩陣,將樣本校準到φ=0、γ=π/4,最后用該校準矩陣校準其他信號。各數(shù)據(jù)默認為校準后的數(shù)據(jù)。單次實驗流程如下:

(1) 采集目標信號。利用信號源產(chǎn)生目標信號,通過信道模擬器調(diào)幅調(diào)相,使φs=0,γs=π/2,采集目標信號并保存在PC端;

(2) 采集干擾信號。利用信號源產(chǎn)生干擾信號,通過信道模擬器將其調(diào)整到所需空間來向與極化狀態(tài),采集干擾信號并保存在PC端;

(3) 采集目標與干擾的和信號。同時發(fā)射目標信號與干擾信號,并在信道模擬器上對各信道調(diào)幅調(diào)相,采集目標與干擾的和信號并保存在PC端;

(4) 計算目標信號、干擾信號以及和信號的自相關(guān)矩陣Rss、Rii、Rxx;

3.2.1 空域?qū)ο^(qū)實驗

在空域?qū)ο^(qū)實驗中,控制目標信號與干擾信號都為垂直極化,目標信號方位角φs=0,干擾信號方位角φi在[0,π/2]范圍內(nèi)變化。實驗分別測試了陣元間距為0.25λ、0.5λ、0.75λ時的空域?qū)ο^(qū)。

為了保證干擾信號確實為信道模擬器設(shè)定的空間來向與極化狀態(tài),我們對干擾信號進行波達方向(direction of arrival,DOA)估計,DOA估計的極化幅角恒為π/2,誤差極小,方位角誤差如圖6所示,計算得到當陣元間距為0.25λ、0.5λ、0.75λ時,方位角絕對誤差均值分別為0.4°、0.3°、0.08°,誤差在允許范圍內(nèi)。為了使實驗測得空域?qū)ο^(qū)更準確,在空域?qū)ο^(qū)的理論邊界附近增加了方位角的取樣點數(shù)。

圖6 方位角誤差Fig.6 Error of azimuth argument

實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過PC端處理,得到干擾信號在不同方位時,對消后SINR,結(jié)果如圖7所示。在[0,π/2]范圍內(nèi),我們將圖7中的對消盲區(qū)與圖3中的對消盲區(qū)作比較,其結(jié)果如表1所示。由表1可知,仿真得到的空域?qū)ο^(qū)與實驗得到的空域?qū)ο^(qū)大致吻合。

表1 空域?qū)ο^(qū)Table 1 Blind area of space cancellation

圖7 空域?qū)ο骃INRFig.7 SINR after space cancellation

經(jīng)過分析,實驗中誤差來自于以下幾個方面:

(1) 由于采樣模塊各信道的幅相一致性差,雖然對采樣得到得數(shù)據(jù)進行了校準,但還是存在誤差;

(2) 實驗中信道模擬器輸出功率存在誤差,信號傳輸過程中存在損耗,因此采樣模塊接收信號的SNR、INR存在誤差。

3.2.2 極化域與空-極化域?qū)ο^(qū)實驗

在極化域與空-極化域?qū)ο^(qū)實驗中,僅抽取部分干擾信號驗證分析結(jié)論。實驗中目標信號與空域?qū)ο^(qū)實驗相同。當陣元間距為0.5λ時,令干擾信號方位角分別為0°、30°、70°,測試極化域?qū)ο^(qū);當陣元間距為0.75λ時,令干擾信號方位角分別為0°、40°、70°,測試極化域?qū)ο^(qū)。為了使實驗測得極化域?qū)ο^(qū)更準確,在極化域?qū)ο^(qū)的理論邊界附近增加了極化幅角的取樣點數(shù)。

為了保證干擾信號為信道模擬器設(shè)定的空間來向與極化狀態(tài),對干擾信號進行DOA估計,DOA估計角度與設(shè)定角度之間的誤差如圖8所示。

由圖8可知,方位角與極化幅角絕對誤差均值都在1°以內(nèi),誤差在允許范圍內(nèi)。

實驗測得對消后SINR結(jié)果如圖9所示。在[0,π/2]范圍內(nèi),將圖9中的對消盲區(qū)與圖4中的對消盲區(qū)作比較,其結(jié)果如表2所示。由表2可知,在誤差允許范圍內(nèi),這兩種途徑得到的對消盲區(qū)大致吻合。

表2 空-極化域?qū)ο^(qū)Table 2 Blind area of space-polarization cancellation

圖9 空-極化域?qū)ο骃INRFig.9 SINR after space-polarization cacellation

4 結(jié) 論

為了提高交替極化陣列對消任意空間來向、任意極化狀態(tài)干擾的能力,本文在空域、極化域與空-極化域分別建立了交替極化陣列的對消盲區(qū)模型,推導(dǎo)了對消盲區(qū)位置和大小的數(shù)學(xué)表達式,從而給出了交替極化陣列對消盲區(qū)的數(shù)學(xué)表征方法。進而分析了交替極化陣列對消盲區(qū)的分布規(guī)律與影響因素,發(fā)現(xiàn)陣元間距能夠顯著影響交替極化陣列對消盲區(qū)的分布,且交替極化陣列對消盲區(qū)比共點極化陣列對消盲區(qū)大,表明相比于共點極化陣列,交替極化陣列雖然通過減少天線數(shù)目降低了設(shè)備成本,但增大了陣列的對消盲區(qū)。

基于對消盲區(qū)模型進行了數(shù)值仿真。在M=4、λ=0.1 m、χ1=12.6 dB、SNR=20 dB、INR=40 dB條件下,仿真得到了d∈(0,2λ)時對消盲區(qū)占比圖與不同陣元間距下對消盲區(qū)分布圖,結(jié)果證明了理論分析的正確性。

最后,利用信道模擬器搭建了實驗平臺,通過調(diào)整信道間相位與功率,模擬了給定空間來向、極化狀態(tài)的干擾,在與仿真相同的參數(shù)下,實驗測得的對消盲區(qū)與理論值基本一致,再次證明了理論分析的正確性。