Ku频段的一种高精度测向模型

焦玉龙，王玉林，焦小炜

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;2.石家庄铁道大学四方学院，河北石家庄050043)

0 引言

Ku频段覆盖的频率范围是12.4～18 GHz，属于微波频段，多用于卫星及雷达通信。目前Ku频段较常用的测向方法为比幅测向法，该方法结构简单，性能稳定，但测向精度较低。随着通信技术的快速发展，人们在Ku频段甚至更高频段上的应用日益广泛，无论是民用的无线电管理还是军用的通信对抗都对该频段的测向精度提出了更高的要求[1]。下面在比幅测向法的基础上结合相关干涉仪测向的思路提出了一种新的测向模型，提高了Ku频段测向水平。

1 测向天线阵列设计

干涉仪测向具有测向精度高、处理速度快和适用于多样天线阵列形式等优点，是无源测向技术中应用最为广泛的测向体制。由于Ku频段的信号波长为1.67～2.42 cm，而干涉仪测向对基线长度的基本要求为d＜λ/2(λ为波长)，若采用全向天线布阵，无论对于单个天线的加工制作还是阵列的布阵设计，实现起来难度都很大[2，3]。综合考虑以上因素设计的天线阵列结构如图1所示。

天线阵列共有9个阵元，其中8个阵元采用均匀圆形阵列的布阵方式，圆的半径为5.4 cm，天线形式为定向的喇叭天线，波束宽度设计为60°，保证了空域的全方位瞬时覆盖。圆阵中心位置为一个全向天线，作为比幅测向时的基准幅度，避免测向过程中信号幅度抖动对测向结果产生影响。

图1 天线布局示意

2 测向算法

采用比幅测向法和干涉仪测向法相结合的测向方法，比幅测向法测向精度低，用来解模糊，而干涉仪测向法用来保证较高的测向精度。每一对相邻天线负责60°的空域，天线覆盖的空域范围如表1所示。

表1 空域范围

比幅测向和干涉仪测向都采用查表的方法，对于每一对相邻天线都制作独立的幅度差相关表和相位差相关表，表的角度范围均为60°，幅度差相关表的精度应达到0.1 dB。

2.1 数据采集

考虑到Ku频段测向接收机的重量、尺寸以及成本等因素，接收机设计为3信道，1个信道接收圆阵中心的全向天线的信号，另外2个信道通过天线开关阵切换依次接收8个喇叭天线的信号，每次接收相邻的一对喇叭天线，共切换8次才能完成整个测向过程的数据采集。对采集到的数据进行FFT处理，得到一个8×3×N的三维矩阵T，其中N为FFT长度，S为FFT结果。

在实际测向中，由于测向机各接收信道的元器件性能及分布参数存在差异，使得各通道高频前端及中路电路对输入信号的幅频和相移特性不完全相同，造成各接收信道幅度和相位的不一致，称之为信道失配。这种误差会对测向性能造成较大的影响，必须加以修正[4]。信道失配的校准步骤如下:

①控制开关阵，使得校准信号fca经分路器馈入测向接收机中用于接收喇叭天线的2个信道;

②记录2个信道中对应频率fca的幅度差，记为ΔCa;

③记录2个信道中对应频率fca的相位差，记为ΔCp;

⑤重复步骤①～③，记录所有待测向的频点的幅度差和相位差;

⑥对矩阵T的前2列数据进行处理，消除2个信道的幅度和相位的不一致。

2.2 比幅测向法

该测向模型首先使用比幅测向法确定信号来波的空域范围，其最大特点是参与比较的幅度值是一个相对值而非绝对幅度，是用喇叭天线的幅度与全向天线的幅度做差，将2个相对幅度相加得到累加和，经过8次切换后得到如下8个累加值:

式中，Δa1=a1－a9;Δa2=a2－a9;……Δa8=a8－a9。

选取Sum1～Sum8中的最大值Summax，则认为信号来自于最大值Summax所对应的那对相邻喇叭天线Am和An之间的区域。Am和An的幅度差记为Δa=am－an，根据Δa查对应2个天线的幅度差相关表，从表中找到和实测幅度差Δa最接近的一个值，该值对应的角度Azia即为比幅测向法的测向结果。

2.3 干涉仪测向

2.3.1 初测

比幅测向法的测向结果可以大致确定示向度范围，接下来还需要使用相干干涉仪测向法进行精确测量。这里取20°的裕量，那么相关干涉仪测向法查表范围为Range= [Azia－10，Azia+10]，相邻喇叭天线Am和An的相位差记为Δp=pm－pn，根据Δp查找对应于2个天线的相位差相关表，在Range范围内通过余弦求和匹配法[5]找到与实测相位差Δp最接近的一个值，该值对应的角度Azip即为干涉仪测向法的初测结果。

为了提高系统对于复杂电磁环境的适应能力，可以采用文献[6]中提出的相位差矢量累加的处理方法，保证了测向系统在低信噪比条件下仍能得到较高的测向准确度。

2.3.2 二次曲线拟合

假定相位差相关表中的角度间隔为Δt，经过初测可知在Azip处有最大匹配值，则Azip－Δt、Azip、Azip+Δt三个角度及相应的匹配值是平面中的3个点，刚好能够唯一确定一条抛物线，此抛物线对应顶点对应的自变量即方位角的精确测量值。抛物线属于二次曲线，因此又称为二次曲线拟合。

初测过程中通过余弦求和匹配法得到一组匹配值序列记为C(k)，假设C(k)在km处取最大值，经二次曲线拟合后的峰值位置为:

则精确测向结果为Dr=×Δt。

2.4 测向结果

经过干涉仪测向后得到的测向结果Dr是对应于相邻喇叭天线Am和An之间60°区域的一个相对值，假定从表1中查找到相邻喇叭天线Am和An所对应的中心角度为Antcenter，则最终的测向结果表示为DOA=Dr－30°+Antcenter。

2.5 效果验证

该测向模型已经应用于实际工程中，随机挑选的若干频率和方位的测向结果如表2所示。

表2 实际测向结果

对表中的数据做误差均方根统计，得到测向结果误差的RMS=1.414 2°，可以看出该测向模型的准确度较高。

3 结束语

上述测向模型结合了比幅测向法和干涉仪测向法的特点，能够对Ku频段的信号进行快速测向，而且对测向过程中信号抖动不敏感。经实际工程验证，该模型对整个Ku频段的测向精度能够达到RMS≤2°，可以满足绝大多数的应用场合。

[1]王铭三.通信对抗原理[M].北京:解放军出版社，1999:178－179.

[2]杨 忠.一种基于干涉仪体制的机载测向技术研究[J].无线电工程，2010，40(12):58 －60.

[3]杨 超 ，邱文杰.自适应天线阵元间互耦的校正[J].电子学报，1993，21(3):58 －62.

[4]张海燕.五通道相位干涉仪测向的研究和实现[D].成都:成都理工大学，2004:15－36.

[5]李 淳 ，廖桂生，李艳斌.改进的相关干涉仪测向处理方法[J].西安电子科技大学学报，2006，33(3):400－403.

[6]张智锋，乔 强.低信噪比下相关干涉仪测向处理方法[J].舰船电子对抗，2009，32(6):103－106.