振幅法与相位法测向宽带天线单元分析

刘治甬 陈舒

摘  要：在无源定位测向系统中，测向天线单元主要用于接收未知的来波信号，天线单元直接影响整个测向系统的性能。基于电子侦察测向系统中比幅比相测向技术，对两种测向方法中几种宽带天线进行了实际测试。通过天线的实测数据分析了两种方法中各天线的性能优劣，以及天线对测向系统某些指标的影响，在工程应用中具有很高的实用价值。

关键词：测向系统;比幅;比相;宽带天线

中图分类号：TN820                    文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）15-0073-05

Abstract： In the passive location and direction finding system， the direction finding antenna unit is mainly used to receive unknown incoming signals. The antenna unit directly affects the performance of the whole direction finding system. Based on the amplitude and phase comparison direction finding technology in the electronic reconnaissance and direction finding system， several broadband antennas in the two direction finding methods are tested. Through the measured data of the antenna， the performance of each antenna in the two methods and the influence of the antenna on some indexes of the direction finding system are analyzed， which has high practical value in engineering application.

Keywords： direction finding system; amplitude comparison; phase comparison; broadband antenna

0  引  言

伴隨着通信技术的高速发展，空间中充斥着各种电台信号、手机信号、雷达信号等电磁波信号，我们有时需要确定电磁波的来源方向。现在的空间测向信号环境相比以前发生了很大的变化。以前辐射源数量很少，工作时间长，工作频率和工作参数没有变化或变化不明显，通信和雷达还有导航设备在各自不同频段上工作，工作形式也有明显区别。如此需要分别对每种信号进行处理，采用较窄的频段和波束进行范围搜索。现代测向信号环境特点：辐射源的数量庞大，信号密度大，在同一时间测向系统就可能收到数十甚至上百个辐射源信号;辐射源的波形复杂多变，体制变多;辐射源不断增加工作频段，多个辐射源的工作频段在越来越宽的范围上形成交叠;辐射源信号在频域上蜂拥而至，在时域上聚集甚至交叠在一起。所以，面对复杂的、密集的、多变的和交错的信号环境，要求测向设备具有更强的信号分选能力，更强的抗干扰能力，更广的接收和处理目标信号范围的能力。对于测向系统而言，天线的好坏决定着整个测向系统的性能优劣。因此，从振幅法和相位法两种常用的测向技术中研究天线就变得非常重要。

1  振幅法测向

1.1  幅度比值的计算

振幅法测向是利用相邻天线产生的多个有着相同方向图的波束接收同一辐射源的信号，通过幅度大小对比来确定信号方向的测向方法。通过提取接收机前端的脉冲信息可以实现瞬时测向。

每个天线方向图都有各自精确的数学描述，增益和方位的对应关系可以用函数来近似描述。假设两个彼此相邻垂直的天线，方向图交叉点幅度为3 dB，在天线频率范围内，天线波束宽度等于倾角，天线方向图保持不变，这样可以用正弦函数近似表达方向图函数。

其中一个天线的方向图函数为：

F1（φ）=Acosφ

式中，A为天线最大幅度值（φ=0°时），φ为水平方向与入射信号方向的夹角。

相邻的另一个天线的方向图函数为：

F2（φ）=Bcos（φ+90°）=Bsin（φ）

式中，B为天线最大幅度值（φ=90°时）。为简化模型，假设相邻两个天线增益为1，天线方向图幅度大小相同。如果天线与辐射源信号夹角为φ，那么辐射源函数为：

S（t）=f（t）A（t）cosωt

式中，A（t）为脉冲包络函数;f（t）为辐射源闪变调制及扫描调制。在两个相邻天线通道上测得电压为：

u1（t）=lg[f（t）A（t）Acosφ]

u2（t）=lg[f（t）A（t）Asinφ]

两个电压的幅值比为：

由上式可知，幅值比与辐射源的调制没有关系，只与φ的大小有关。确定了这种对应关系，只需根据相邻天线接收信号的幅度之比就可以计算出辐射源的方位。

1.2  宽带天线测试数据

基于以上振幅法测向的基本原理，选取几种宽带天线进行实际测试。天线最高频率为fmax，最低频率为fmin，最高频率与最低频率之比为3：1。

1.2.1  阵列天线

在现代无线电系统中，根据电磁波在空间相互干涉的理论，把一些有着同样大小和结构的天线按某一规律排列在一起，加以合适的激励来得到预定的辐射特性，这类拥有多个辐射源的结构称为阵列天线。阵列天线可以得到符合实际要求的副瓣电平和波束宽度指标，同时得到较强的方向性和较高的天线增益。阵列天线方向图可以由阵因子和单元因子的乘积表示。单元因子由所用的单个阵元的指向、类型、激励电流的幅度和相位以及在空间的位置所决定。阵因子由阵的间距、形状、相位以及激励电流的幅度所决定，跟单元的取向及形式没有关系。图1为一个拥有24单元阵列天线的方向图，图2为天线波束宽度，图3为天线增益。

1.2.2  多波束透镜天线

多波束透镜天线一般由前端介质层和后端馈源阵列构成，作用是同时在不同方位辐射多个天线波束。由于介质层在结构上具有对称性，因此由后端馈源阵列产生激励形成的天线波束具有相同方向图特性。介质层的结构与光学透镜的特性很像，把后端馈源阵列按照一定结构排列，不需要移动透镜介质层，就能利用聚焦特性，把不同方向涣散的能量变为平面波，形成多个天线波束，从而可以进行大范围的波束扫描。馈源天线的工作带宽可以代表多波束透镜天线的工作带宽，因此要想实现多波束透镜天线的宽频带，只需要设计合适的馈源天线。图4为一个24波束透镜天线的方向图，图5为天线波束宽度，图6为天线增益。

1.2.3  宽带喇叭天线组阵

由惠更斯原理可知，波导在其终端开口可以辐射电磁波。波导向自由空间辐射电磁波会由于阻抗不匹配形成比较大的反射，而且波导口面电尺寸较小，电磁波辐射很弱，因此不适合用作天线。可以把波导的四周逐渐向外扩展，变成像喇叭一样的形状。这种形状的喇叭天线由于增大了辐射口面尺寸，增强了与自由空间的匹配，因此向外辐射电磁波的特性变得很好。由多个喇叭天线在方位面组成的测向系统，可以同时覆盖360°，达到很高的信号截获概率。图7为单个宽带喇叭天线的方向图，图8为天线波束宽度，图9为天线增益。

2  相位测向法

2.1  相位误差分析

相位测向法又称相位干涉仪测向，其原理是几个分开的天线在接收同一辐射源的来波信号时存在波行程差，彼此间便产生了相位差。利用系统前端的几个天线产生的相位差进行计算得出辐射源信号的入射方位角。为简化分析，在几个天线辐射的遥远空间区域内的目标可以看作是点源目标，它辐射的电磁波可以认为是幅度大小相等，相位大小不等。

从最简单的单基线干涉仪来看，它由两组信道构成。假设在遥远空间区域内，辐射源发出的信号与接收天线夹角为θ。信号分别入射两个天线后形成的相位差为：

式中，l为两个天线之间的距离;λ为入射电磁波的波长。可以看出，通过测向系统后端鉴相器读出两个天线接收到的相位差信息φ，再进行角度变换计算，就可以确定入射信号的方位角θ。

为找出测角误差来源，从求偏导数入手，由于相邻两个天线之间的距离是不变的，那么在计算时可以忽略l的不稳定瞬变因素（即dl=0），可以得出：

以增量表示，可得：

可以看出信号波长不稳定量Δλ和相位测试误差Δφ组成了测角误差。显然，误差数值和方位角θ的大小有关，还和两个天线之间的距离l有关。l的值越大，测角精度就越高。但是相位差φ是以2π为周期，如果超过2π，便出现模糊。可见要扩大干涉仪的无模糊视角，必须采用小天线间距l，这是和测角精度相矛盾的。若采用多基线干涉仪，视角范围θ与测角精度之间的矛盾便能够得以解决：测角精度由较长间距的干涉仪确定，视角范围由较短间距的干涉仪确定。

2.2  宽带天线测试数据

基于以上相位干涉仪测向的基本原理，选取一种平面螺旋天线进行实际测试。天线最高频率为fmax，最低频率为fmin，最高頻率与最低频率之比为3：1。平面螺旋天线是由螺旋线构成的，平面阿基米德螺旋线表述为：

式中，a为螺旋线增长率，φ为螺旋线方位角，φ0为起始角，r0为螺旋线起始点到原点的距离，r为螺旋线上任意一点到极坐标原点的距离。把φ0=0与φ0=π放入上式中，可以画出两组镜像对称的阿基米德螺旋线。在两组阿基米德螺旋线的两臂起始点进行对称馈电，就形成了平面阿基米德螺旋天线。一般用印刷技术制作这类天线，为了扩展带宽，进行阻抗匹配，通常使金属螺旋线的宽度约等于两条螺旋线间的距离，形成自补结构。图10为单个平面螺旋天线的波束宽度，图11为天线增益，图12为多个天线组阵后在干涉仪天线阵中的最大相位差值。

3  特性对比分析

测角精度、角度分辨率和测向灵敏度是影响测向系统准确性和可靠性的重要性能指标。

3.1  测角精度和角度分辨率

测角精度用测角误差来度量，包括系统误差和随机误差。角度分辨率是指能被分开的两个辐射源最小角度差。为了实现对辐射源的精确定位、干扰引导以及威胁告警，必须有较高的测向精度。为了有效地稀释高密度的信号流，必须有较高的角度分辨率。

通过分析可以看出，在振幅法测向系统中，要使测角精度和角度分辨率提高，就必须增加天线通道数量。但是增加天线通道数量就必须增加后端接收机的数量，测向系统成本和体积都会增加。在上述测试的三种天线中，阵列天线容易实现极窄波束，以提高天线的方向性和增益;易于实现赋形波束和多波束;易于实现波束的相控扫描和频率扫描;易于实现低副瓣电平的方向图，但阵列天线结构比较复杂，体积较大。多波束透镜天线波束一致性较好，可以实现快速宽角扫描和多路切换等功能;成本低、频带宽、方向性好、旁瓣低、结构紧凑，但增益和副瓣电平稍差。喇叭天线结构最为简单，制作成本低，工作频带广，功率容量大，易于实现较高的方向系数和较小的副瓣，但是在有限的空间用数量庞大的喇叭天线组阵结构上不容易实现。

在相位干涉仪测向系统中，测角精度和角度分辨率主要取决于最长基线的长度，因此用较少的天线单元就可以实现较高的测角精度和角度分辨率。阿基米德螺旋天线具有宽频带、小尺寸、圆极化、成本低、便于安装以及易与载体共形等优点，但由于其辐射是双向的，因而增益较低。

3.2  测向灵敏度

测向灵敏度是用来度量整个测向系统（天线和接收机）探测微弱信号的能力，即：

Ps min（dBm）=Pr min（dBm）-Gr（dB）

式中，Pr min为测向接收机灵敏度，Gr为侦察天线增益。由此可见，在接收机灵敏度相同的条件下，天线增益越高，系统越容易实现高灵敏度。那么在上述测试天线中振幅法测向天线优于相位干涉仪测向天线。

4  结  论

本文通过实测数据进行分析，描述了在振幅法和相位法两种测向系统中几种天线各自的优势与劣势。在实际选择中，还需结合测向系统自身的用途、性能要求、有效空间以及成本等因素进行综合考虑。

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作者简介：刘治甬（1983—），男，汉族，四川宜宾人，工程师，本科，研究方向：天线技术;陈舒（1985—），女，汉族，江苏益宁人，高级工程师，本科，研究方向：电子对抗。

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