和差比幅测向技术的仿真与实验分析*

李永维，王玉文，陈映竹，束 强，李晗静

（电子科技大学 航空航天学院，四川 成都 611731）

0 引 言

分析与识别日益复杂的通信信号和对其辐射源测向，在军事﹑民用领域中都有着非常重要的作用[1]。确定信号的方向是电子侦察系统的一个重要方面。随着无线电通信业务的快速发展，为保障频谱资源的正常和有效使用，无线电监测技术得到了越来越广泛的应用。其中，无线电测向定位作为关键技术，在信号侦查﹑干扰源和不明信号查处﹑目标辐射源地理位置的确定等方面起着重要作用[2]。

1 和差比幅测向原理

和差比幅测向技术采用相互重叠的两个波束来测向。如图1所示，假定天线波束方向图函数为F(θ)，等信号轴OA指向为θ0，波束1﹑2的方向图

函数分别写成：

式中θk为θ0与波束最大时方向的偏角[3]。

图1 互相重叠的两个波束图

假设波束1﹑2接收的回波信号分别表示为：

式中，θt为目标所在方向偏离等信号轴θ0的角度。理想情况下，波束方向图如图2所示。

图2 理想情况下波束方向图

对u1﹑u2信号进行处理，就可以得到目标信号方向θt的信息。此外，由u1﹑u2可计算得到其差值Δ(θt)及和值∑(θt)。

等信号轴θ=θ0附近，插值Δ(θ)可以近似表示为：

而和信号：

等信号轴附近：

即可求得和波束与差波束∑(θ )与Δ(θ)，归一化的和差值为：

因为归一化的和差值与目标偏离的角度θt成正比，所以可用和比差的值来判定角度的大小及方向[4-6]。和差波束如图3所示。

图3 和差波束

通常情况下，和波束主瓣不够尖锐，而差波束可能存在多个零点。因此，无论是单独利用和波束搜索最大能量方向来测向，还是利用差波束搜索最小能量方向来测向，都难以获得精度较高的测向结果。所以，实际处理时需要联合和差波束输出结果完成测向处理[7]。

设方位i上的和﹑差波束输出结果分别为fi∑﹑fiΔ，则在方位i上测向数据的输出为：

搜索Di的最大值DMAX，则其对应的方位即为信号的入射方向。理想情况下的测向结果，如图4所示。

本系统中的差波束是由一个等幅反相的二元天线阵及和差网络产生的。单元天线采用的是对数周期天线。和波束采用一个对数周期天线来实现。三个天线同时架设在可升降转台上，随着转台的转动，测向系统自动采集需要频段相应角度上的和波束信号和差波束信号。旋转一周后，系统自动找出和差比幅最大的一些信号。这些信号就是找到的干扰源和非法电台，系统可以给出这些信号对应的角度，并通过后台软件处理分析出这些信号的幅频特性[8]。

图4 理想情况下的测向结果

2 测向系统

测向分系统又由测向天线阵﹑和差网络和伺服系统以及测向接收机（可用频谱仪替代）构成，系统组成如图5所示。

图5 系统组成

A1﹑A2为测向天线，频率为5 00～1000 MHz；测向接收机的频率为20～3 600 MHz；笔记本电脑作为中央控制处理器；工作软件包括测向定位﹑监测测量﹑电子地图﹑干扰分析﹑数据库﹑数据通信﹑输出显示﹑控制等软件及其他软件。测向系统中，和差网络设计如图6所示。功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时称为合路器。180°功分器是将信号做差处理；0°功分器是将信号做和处理。图6中，0°功分器将两天线接收到的信号分成两路，分别输入到180°和0°功分器。180°功分器实现两天线接收到信号的差处理，0°功分器实现两天线接收到的信号的和处理，再由一个180°的功分器产生“和-差”信号。

图6 和差网络设计

3 测向结果分析

由于是第一次验证整个系统的测试，软件和硬件结构都存在很多不确定性因素，所以暂时先在室内测试。图7为测试模型，发射和接收天线后面均有一堵墙，墙与天线的距离大概有5 m；收发天线距离约13 m，发射天线高度是2.3 m，发射天线（差波束）的高度也约为2.3 m，天线距离天花板约1.5 m。由于待测频率较低，该场地反射较大，会对测试结果有一定影响。

图7 测试模型

测试步骤：

（1）发射天线和接收天线均采用45°斜极化，发射天线固定不动；

（2）信号源分别发射350 MHz的信号，功率为0 dBm；

（3）接收天线连接9020接收机，9020连接笔记本电脑，设置接收频率为350 MHz，Span为1 MHz；

（4）启动测试软件，旋转转台，采集9020的测试数据，测试角度范围是±80°；

（5）绘制方向图；

（6）更换发射和接收信号为800 MHz和1 GHz，重复步骤1～步骤5；

（7）更换接收天线，重复以上步骤1～步骤6，测试顺序分别是差波束天线﹑和波束天线﹑和-差波束天线。

测试结果依次如图8～图16所示。

图8 350 MHz差信号

图9 350 MHz和信号

图10 350 MHz和-差信号

图11 800 MHz差信号

图12 800 MHz和信号

图13 800 MHz和-差信号

图14 1000 MHz差信号

图15 1000 MHz和信号

图16 1000 MHz和-差信号

在现场条件下，测试了350 MHz﹑800 MHz﹑1000 MHz三个频点的差波束﹑和波束以及和差 波束方向图。测试结果显示，差波束的零深很深，非常符合测向的要求；和波束的方向图也基本在0°附近出现最大值；测试软件有插入失败以及坏值，软件有待升级；目前的软件没有自动绘图功能，有待升级。

4 结 语

本文对和差比幅测向原理进行理论仿真，利用功分器设计和差网络实现和﹑差信号的输出。经室内实际测试发现，测试结果与理论结果大致相同，但由于室内环境对信号的反射影响，导致实验结果不够精确。下一步将在室外无反射测试场进行测试。在室外测试时，调整和波束和差波束的位置，观察在进入180°功分器前和波束和差波束的功率值以及接上功分器后的功率值，看是否在数值上是“和-差”。调整差波束天线之间的间距进行对比测试，减小和波束和差波束天线之间的间距，保持在半个波长以上如500 mm进行对比测试，只用功分网络和两个差波束天线进行合成，进行对比测试。

[1] 甘露.通信信号测向与分析技术研究[D].成都:电子科技大学,2009.

GAN Lu.Research on Communication Signal Direction Finding and Analysis[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology,2009.

[2] 刘伟.无线电监测多站测向定位研究[D].成都:西华大学,2013.

LIU Wei.Radio Direction-finding and Location Research in the Radio Monitoring[D].Chengdu:Xihua University,2013.

[3] 刘亮.雷达测角方法研究[D].西安:西安电子科技大学,2013.

LIU Liang.Study on Radar Angle Measurement Methods[D].Xi’an:Xidian University,2013.

[4] 孙海浪,侯庆禹,陈昌云等.单脉冲和差波束及测角方法研究[J].航天电子对抗,2012,28(01):42-44.

SUN Hai-lang,HOU Qing-yu,CHEN Chang-yun,et al.Study on the Method of Sum and Difference Patterns and Angle Method[J].Space Electronic Countermeasu-res,2012,28(01):42-44.

[5] 翟庆伟,王玉,官兵.波束比幅法测向技术研究[J].无线电通信技术,2007,33(06):55-56.

ZHAI Qing-wei,WANG Yu,GUAN Bing.Research on the Technology of the Beam Amplitude Comparison Direction Finding[J].Radio Communication Technology,2007,33(06):55-56.

[6] 方棉佳,吕涛.单脉冲和差波束测角的精度研究[J].雷达科学与技术,2013(06):645-649.

FANG Mian-jia,LV Tao.Research on Precision of Angle Measurements in Monopules Sum-Diffrerece Beams[J].Radar Science and Technology,2013(06):645-649.

[7] 陈洋,章锦文,姚宏达.振幅和差式单脉冲雷达建模及测角性能仿真[C].中国系统仿真技术及其应用学术年会,2011.

CHEN Yang,ZHANG Jin-wen,YAO Hong-da.Modeling and Angle Measuring Simulation of Sum-Difference Patterns of Amplitude Mono-Pulse Radar[C].China's Annual Conference on System Simulation Technology and Its Application,2011.

[8] 周一宇.电子对抗原理与技术[M].北京:电子工业出版社,2014.

ZHOU Yi-yu.Principle and Technology of Electronic Countermeasures[M].Beijing:Electronic Industry Press,2014.