交叉极化抑制比对单脉冲比幅测向的影响研究

华东电子工程研究所 胡泽宾

1 引言

在电子侦察系统中，为了对任何极化的信号都能接收，侦察天线一般采用圆极化[1]。实际设计中，圆极化天线的轴比，即交叉极化抑制比δ有一定的取值。由文献[2]可知，强交叉极化干扰会使单脉冲雷达产生错误的跟踪信息。对侦察系统而言，如果侦察天线采用右旋圆极化，则左旋圆极化就是其交叉极化。右旋圆极化对雷达信号的响应是有用信号；左旋圆极化对雷达信号的响应等效为交叉极化干扰信号，反之亦然。因此，在采用圆极化侦察天线的单脉冲测向系统中，我们不得不考虑交叉极化对测向精度的影响。

单脉冲测向有三种常见的类型：幅度比较即同时波瓣扫描、相位比较即相位干涉仪和这个两种方式的组合形式[3]。下面以单脉冲幅度比较测向系统为例，分析交叉极化抑制大小对测向精度的影响，为圆极化侦察天线的设计提供依据。

2 单脉冲幅度比较测向原理

单脉冲幅度比较测向通过比较重叠的相邻波束上接收到的功率来测量角度，角度误差是由相邻波束内回波信号的幅度差来表示的[3]，原理框图如图1所示。

图1 单脉冲幅度比较测向原理框图

假设两天线波束方向性函数F(θ )完全相同，两天线收到的信号幅度为E1、E2，并且到达Σ端保持不变，两波束相对天线轴线偏角为θs/2，则对于θ 方向雷达到达波和信号振幅为：

差信号振幅为：

幅度比较器的输出为：

由式(3)可知，当得到幅度比值u，再带入已知的θs，通过查表就可以求出雷达信号的入射角θ值。

3 交叉极化的影响

如果侦察天线采用右旋圆极化，则左旋圆极化是其交叉极化。当雷达发射信号采用垂直极化或水平极化时，其可分解为右旋圆极化信号和左旋圆极化信号的组合。其中，右旋圆极化信号是有用信号；左旋圆极化信号就等效为干扰信号。

假设侦察天线右旋圆极化的方向性函数为，左旋圆极化的归一化方向性函数为，和、差波束共极化响应为：

和、差波束交叉极化响应为：

幅度比较器的输出为：

式中，δ表示交叉极化抑制比。

根据式(8)，当得到幅度比值uc，再带入已知的θs，通过查表就可以求出雷达信号的入射角θ值。

比较式(3)、(8)，交叉极化响应引起的幅度差为：

由Δu可求出测向误差Δθ，且由式(9)可知，δ 越大，测向误差越小。

由于加工精度、安装平台的影响及天线罩去极化等因素[4][5]，实际天线的交叉极化抑制与设计值有一定误差。对于规模较大的单脉冲阵列或馈源，设计的交叉极化通常在-25dB以下。对于小型化的螺旋天线，极化特性在低频较差，约-15dB，这是由背腔反射造成的[6]。在天线主波束宽度内，交叉极化分量随角度变化平缓，交叉极化抑制比近似为常数。若天线主波束形状为高斯型，则差波束幅度分贝值近似随角度线性变化，斜率为θ0.5/12dB。由于交叉极化分量造成的测角误差为。由热噪声引起的测角误差为。当交叉极化产生的测角误差远小于热噪声时，可以忽略交叉极化的影响。当信噪比约16dB时，交叉极化抑制比应大于22dB。

4 仿真分析

为了具体分析交叉极化抑制对单脉冲测向的影响，以某圆极化侦察天线为例进行仿真，其天线主极化与交叉极化方向图如图2所示。

图2 某圆极化侦察天线方向图

由图2可得，共极化方向图的半功率波束宽度约为80˚，在波束宽度内，交叉极化分量比主极化低22dB，起伏约10dB。波束偏角30度时，在不同交叉抑制比δ 下，幅度比较器输出如图3所示。由图3可得，在低交叉极化抑制比下，单脉冲幅度比较测向系统幅度比较器输出误差较大，将得到错误的测向信息。随着交叉极化抑制比的增大，单脉冲幅度比较测向系统幅度比较器的输出逐渐减小，测向误差也将逐渐减小。在相同交叉极化抑制条件下，测角区间内的测角误差有起伏，与波束形状、交叉极化大小、波束偏角都有关系。

图4 测角误差随相邻波束偏角的关系

下面具体讨论不同波束偏角条件下，整个测角区间内测角误差的变化，仿真结果如图4所示。理论上高斯型波束比幅测角，相邻波束夹角为0.6倍3dB波束宽度时，交叠处测角精度较高，然而天线半功率波束宽度外，交叉极化迅速上升。对于交叉极化抑制22dB的圆极化天线，波束宽度80度，当波束夹角40度时，测角区间边缘的测角误差为0.4度，大于安装精度等因素引起的测角误差0.1度，且远大于交叠处测角误差。当波束夹角30度时，测角区间内测角误差变化较平缓，且低于0.15度。因此波束夹角应略小于半功率半宽度。

以下讨论交叉极化抑制比对测角误差的影响。由于测角区间内测角误差有一定起伏，取最大测角误差，得到不同交叉极化抑制比条件下，测角误差的变化，如图5所示。波束偏差分别取20度和30度。

图5 测角误差随交叉极化抑制比变化图

由图4可知，随着交叉极化抑制比的增大，幅度比较器的输出值逐渐减小，也即单脉冲测向系统的测向误差逐渐减小，相同交叉极化抑制条件下，波束夹角越小，测角误差越小。当交叉极化抑制比大于25dB时，其引起的测角区间内最大误差小于0.1度，与天线安装精度引起的误差相当。

5 小结

根据本文的分析，圆极化侦察天线的交叉极化响应的确影响单脉冲测向系统的测向精度。因此，要得到较高的测向精度，必须采取措施，优化设计，提高圆极化侦察天线的交叉极化抑制比，降低交叉极化响应对单脉冲测向的影响。

[1]周朝栋,王元坤,杨恩耀.天线与电波[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

[2]罗景青.雷达对抗原理[M].北京:解放军出版社,2003.

[3]张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业出版社,2006.

[4]Peyton Z,Peebles J R.Monopulse radar angle tracking accuracy with sum channel limiting[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1985,21(1):137-143.

[5]ARPIN F,OLLEVIER T.Cross-polarization tracking errors of a radome covered monopulse radar[J].Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(10):2354-2360.

[6]Qi Wu,Ronghong Jin,Xiaojing Huang,A Conformal Archimedean Spiral Antenna for Ultra-wide-band Systems[J].IEEE Trans on A.P.2004,Vol.35.