GNSS干扰测向天线设计

宋海涛，郑晓冬，范广伟

（中国电子科技集团第54研究所，石家庄 050081）

GNSS干扰测向天线设计

宋海涛，郑晓冬，范广伟

（中国电子科技集团第54研究所，石家庄 050081）

本文分析了卫星导航干扰信号干涉仪测向基本原理，给出了宽带和宽波束天线单元设计仿真，针对无模糊测向和降低互耦影响需求设计了7阵元均匀圆阵测向天线。

干扰测向；干涉仪；阵列天线；互耦

1 引言

卫星导航信号到达接收机口面功率较低，微弱的有意或无意干扰都可能对导航接收机造成影响。在电磁环境复杂的区域，需要对卫星导航信号进行区域可用性评估，其中，对导航干扰信号的定位定向尤为重要。

卫星导航干扰信号测向与普通的无线电测向技术原理基本一致。无线电测向方法可分为干涉仪法测向、最小信号法测向、多普勒法测向、最大信号法测向、时差法测向等。其中，干涉仪法测向是应用广泛的测向方法，具有测向速度快、测向精度高等优点。采用相关干涉仪方法，将阵列天线接收到的导航干扰信号进行比相，经过相关运算和处理，从相关性最大的数据得出来波方向。天线阵列的性能影响测向准确度，所以对天线阵列的研究是干扰测向技术研究的主要方向之一。

2 测向天线原理

2.1 干涉仪测向基本原理

干涉仪测向的实质是利用无线电波在基线上的相位差来确定来波方向。以2元线阵为例介绍相位干涉仪测向原理。

图1是2阵元线阵相位干涉仪测向原理图，来波信号在A、B天线单元上产生相应的相位差。

图1 线阵干涉仪测向原理图

设来波方向与天线法线夹角为θ，到达两个天线单元的相位差为

2kπ+Ф=（2πDsinθ）/λ

当基线长度D＜λ/2时，此时模糊数k为0，对于任意方向入射波基线相位差在±180°以内，测量值反映实际值；当基线长度D＞λ/2时，受到相位周期的限制，会产生相位差值的周期循环，形成相位模糊，选取适当的基线长度，以消除相位模糊。

2.2 圆阵干涉仪测向基本原理

卫星导航干扰测向天线采用均匀圆阵，具备圆对称性的结构特点和良好的测向性能。圆形阵列天线指的是天线辐射单元沿着圆弧等间隔分布，以7阵元圆阵天线为例，布局如图2所示。

图2 圆阵天线基线图

天线单元等距离位于A，B，C，D，E，F，G位置，每两个天线单元组成一条基线，共计21条基线。为避免孔径过大造成的相位模糊，选择基线相对较短的基线组合来进行高频信号相位比较和测向，同时，选择短基线，在保证无相位模糊的情况下，可以增大天线单元间的距离，减少天线间互耦的影响，提高测向精度。即选择AB，BC，CD，DE，EF，FG基线测量。将得到的多组测向结果进行统计和处理，可以确定惟一的测向值，消除多值。

3 测向天线单元设计

测向天线单元要求的频率范围为1200MHz-2500MHz中的导航接收频段，带宽较宽，同时要求半功率波束宽度120°。

根据技术条件对天线波束的要求，最合适的方案为对称振子加反射板，对称振子在方位面内能提供全向的方向图，而在垂直面内提供8字形的方向图，半功率波束宽度在60～90度范围内，为了产生定向辐射波束，需要在对称振子后面适当位置加金属反射板，反射板距振子距离一般为四分之一波长，这样反射板反射的电磁波再次到达振子表面是走过的路径是二分之一波长，相位是180度，考虑到电磁波被金属反射板反射一次附加180度的相位差，这样在振子表面天线向前辐射的电磁波与后向反射回的波正好同相位，增强了前向辐射功率，即前向增益增大，后向辐射得到抑制，适当调整振子距反射板的距离和反射板尺寸，以得到我们所需的波束宽度要求。

对称振子的带宽一般比较窄，为了得到宽频带特性，通常的技术措施是将振子臂加粗（对于平面的情况就是加宽）、改变振子臂的形状，使其从馈电点向外逐渐加粗（加宽），呈锥型，或者呈菱形、椭圆形等各种变形。可以大大展宽对称振子的工作带宽。

我们选择对称蝴蝶结型结构，通过调整振子长度、蝴蝶结的锥角等参数，使其在要求的工作频段内满足驻波比、方向图、增益等指标要求。

图3 天线单元方向图仿真结果

反射板距对称振子的距离是一定的数值，但是它无法对所有频点满足四分之一波长的要求，例如2500MHz频率是1250频点的2倍，所以当选取距离对于1250MHz来说满足四分之一波长要求时，对于2500MHz来说已经是二分之一波长了，此时，被反射板反射的电磁波与前向辐射波在振子表面处是反相的，即相位差180度，这样在天线法向方向就会形成带凹陷的方向图，即法向方向增益减小而在其他方向增益增加，为了消除这种现象需要在反射板与振子间增加附加的小反射板，利用这两个反射板的有机结合控制波束变形，达到宽频带的要求。图3是1207MHz频点和2492MHz频点的天线单元方向图仿真结果。

4 测向天线圆阵设计

天线阵采用圆阵设计，均匀圆阵干涉仪测向天线的阵元数量设计依据是数学意义上不存在测向模糊，理论已经证明满足设计条件的是5阵元以上的奇数阵元和8阵元以上的偶数阵元。综合阵列孔径、工作频带和相位模糊，本文采用7阵元设计。

天线阵列的整体尺寸和单元间距的设计依据频率范围、互耦影响以及相位模糊进行。按照最低频率1180MHz计算，天线单元间距为半波长，则间距为(c⁄f)/2 =12.7cm。将已设计完成的天下单元在仿真软件HFSS中建模。

表1 天线组阵仿真结果

Gain 1180MHz图4 天线增益仿真结果

天线组阵后，通过仿真考核单个天线单元的导航频点性能指标，结果如表1所示。

天线仿真图如图4所示。

5 问题及改进

由天线单元仿真和天线阵列仿真结果对比可知，独立的天线单元波束宽度大于120°，而组阵后相同的天线单元波束宽度小于120°，主要是天线单元间互耦影响。

天线互耦问题的主要解决途径是增大天线单元间距和对天线单元采取抑制互耦措施。由于天线单元间距是按照半波长设计，增大间距会产生相位模糊而且增大了整阵的尺寸，不符合设计要求。需要对天线单元设计采取抑制互耦措施。

本文主要对天线单元采取缺陷接地结构抑制互耦，缺陷接地结构与电磁带隙结构类似，在天线单元接地面上蚀刻出单个或者少量的单元结构来改变电路衬底材料的有效介电常数，从而改变电路的分布电感及电容。依据设计原理，在天线单元间增加正方形缺陷接地结构，优化仿真结果如表2所示。

表2 天线组阵优化仿真结果

天线仿真图如图5所示。

Gain 1180MHz图5 天线增益优化仿真结果

采取缺陷接地结构优化天线阵列仿真，天线单元波束宽度增大，基本达到120°要求，抑制互耦效果明显。

6 结束语

针对卫星导航干扰信号特点，本文从相关干涉仪测向原理出发，提出了一种均匀7阵元圆阵测向天线的设计。按照宽带和宽波束要求，给出了天线单元设计以及组阵设计仿真，通过仿真结果比较，在保证信号带宽以及无相位模糊的前提下，采用缺陷接地结构优化设计，降低了互耦影响，展宽了信号波束。设计的测向圆阵天线阵列性能指标能够应用于卫星导航干扰信号测向。

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Design of GNSS Interference Direction Finding Antenna

Song Haitao, Zheng Xiaodong, Fan Guangwei
(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang, 050081)

The basic principle of satellite navigation interference signal interferometer direction finding is analyzed, broadband and wide beam antenna element design and simulation is given, aiming at the need of unambiguous direction fi nding and reducing mutual coupling, a 7 element uniform circular array direction fi nding antenna is designed.

Interference Direction Finding; interferometer; array antenna;mutual coupling

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.08.002

TN911文献标示码：A

1672-7274（2017）08-0005-04