弹载北斗抗干扰天线系统分析与设计

李涛

摘要：北斗导航系统是我国新型全球卫星导航系统，该导航系统具有针对性，主要以军事领域发展为主，致力于提高安全性，高精准性军事活动。天线系统抗干扰性可有效避免卫星导航过程中受到信号接收差电磁干扰等问题，因此针对弹载北斗抗干扰天线需要进行设计研究，以供参考。

关键词：弹载北斗;抗干扰天线;系统分析;设计

1.抗干扰天线原理

卫星导航系统在设计过程中融入DSSS直接序列扩频技术，这种情况使卫星导航系统自身具备较高的抗干扰能力，除此之外，更加具备超强的隐匿性和涉密性，利用该技术能够针对接收到的信号在频域上进行展宽，降低功率频谱度进而将接收的信号进行隐藏。将接收的信号频率展开后利用扩频技术能够进行有效的增益处理，在干扰信号能力强的情况下无法发挥其抗干扰能力，因此需利用数字信号处理强化其抗干扰能力。通常情况利用抑制滤波器可起到抗干扰能力提高效果，而且还能够对卫星导航系统整体功能进行改善，减少误码率[1]。

其主要抗干扰过程体现在针对混频信号进行分离，获得有用信号，然后对其他干扰信号产生抑制。有用信号以及其他信号特征差异越大，分离相对简单。而差异主要体现在空间域、频域和时域，因此针对抗干扰处理可以添加时域滤波、空间域以及频率滤波等自算法。（1）宽带干扰抑制算法。利用空时自适应处理能够在时间和空间二维度中进行抑制干扰，其原理主要体现在针对干扰信号和有用信号进行空间角独立，进而实现滤波，其中空时自适应算法包含两部分内容，第1部分为约束，第2部分为无约束，相较于后者，前者处理更加简单且精准度高。（2）频域窄带干扰抑制算法。该算法可以实现窄带干扰抑制，利用IDFI进行处理并且实现定位。

2.整体方案系统集成

2.1需求分析

弹载北斗接收机天线需要具备较强的抗干扰能力，能够在极端复杂以及特殊的环境下进行作业，这种情况需要其既需要适应电磁环境的复杂性同时还需要对导弹进行适应，只有这样才能充分实现现代化军事的精准打击，保证航空武器制导精准。在整个方案设计过程中需要充分结合弹载这一特殊情况，弹载具有高速度，高加速度以及高加加速度，在波束接收过程中，需要其具备极强的自适应能力，但由于其弹上空间具有限制性，这种情况在设计过程中需要控制阵元数目，而且不得不考虑在实际作战环境中产生的电场和磁场，因此在设计过程中还需要保证其天线具有较宽的抗干扰能力，只有这样才能充分保障弹载北斗接收机天线的抗干扰需求。

2.2天线阵子设计

在本次设计中天线振子设计主要利用微带天线形式，该种设计方式具有重量轻，体积小，结构简单等特点。微带天线工作频率受到三个因素影响，第1部分电介质基板的介电常数，第2部分效率，第3部分基板厚度和辐射面面积，关系如下。

（1）在进行基板电介质材料选择过程中，介电常数以及厚度参数与微带天线工作频率成正比;（2）针对其频带宽，如果系统匹配50Ω这种情况会造成介电常数与频带宽成反比。（3）通常情况下，微带天线的半功率宽度多为几十度，因此在实际需求情况下需要利用微带天线设计优化，提高半功率宽，只有充分保证微贷网络设计合理性，才能充分满足天线办波束宽度需求。

这也是提高天线抗干扰性能的重要体现，针对天线抗干扰能力的提升还需要注重空间检测能力以及响应能力。在进行自适应天线系统工作过程中可以了解增加振元个数可有效提高信干燥比，而且随着单元数的逐渐增加，天线的自由度逐渐变大，与此同时有效口径变大。因此，想要进一步提高天线的抗干扰性，可以通过增加振元数目进行操作。但弹载过程中具备高清动态环境，在天线抗干扰设计过程中必须做到能够有效适应这种情况并且减少对设备操纵性能以及气动性能的影响[2]。

增加阵元数目会增加振复杂性，因此这种情况会增加设计成本，设计体积以及设计质量。以自适应算法为切入点进行分析，尽管自适应算法的性能不受振元数的增加而增加，但会造成主瓣宽度逐渐变窄，结合弹载需求，因此在接收机天线系统设计过程中需要控制其尺寸。在综合考虑下抗干扰天线系统卫星接收阵列选择4*4较为合理。

2.3天线组成单元设计

北斗抗干扰天线的硬件组成需要由以下几部分（1）天线阵;（2）微波前端及调制模块;（3）自适应信号处理模块;（4）接口模块。在单个振元设计过程中需要充分考虑以下指标：a工作载频（B1），目前北斗卫星导航信号载频为1561Mhz;b采用左旋圆极化的振元极化方式;c控制无源天线仰角≤10°，增益状态下≥-6db，控制轴线增益≥2db，天线驻波比值≤2。结合阵列形式，本次设计主要利用同轴线馈电，于接地板安装同轴插座，将导体从介质基片中穿过，与辐射贴片进行连接，这样能够针对馈电位置进行准确选择，从而形成最佳匹配。

针对微带天线的设计，首先需要针对介质基片进行选择，我们已知矩形微带天线介电常数（εr），工作频率（f），通过这两个参数能够获得辐射贴片宽度（ω）。计算方法：ω=，其中c代表光速;辐射贴片长度通常控制在导波长的1/2，在设计过程中出于对边缘缩短考虑，其实际辐射单元长度L=，公式中为有效介电常数，为等效辐射缝隙长度。如果馈电电位和辐射贴片位置形成对角，这种情况可以保证电场方向进行垂直。在整个设计过程中，控制辐射贴片处于正方形态，这种情况下辐射单元长度无限接近辐射贴片宽度，这种情况下可形成圆极化微带天线。在经过实际计算过程中50Ω馈电电位如果与辐射贴片形成对角线，其两者顶点距离在（0.35～0.39）d之间。将北斗导航系统工作频率进行计算考虑，同时结合天线单元尺寸因素，介电常数以及厚度参数分别为4.4，1.6mm，可以计算出以下参数。Ω=58.48mm，=4.2，=0.74mm，L=45.55mm。

2.4信道单元设计

在本次设计过程中依据实际的技术需求将信道单元设计分为两部分，第1部分为射频前端，第2部分为变频。在两部分内容设计过程中对其进行技术分配主要内容包括以下几点。（1）射频前端模块设计需要重点关注以下指标。输入信号，输出信号，通道间隔离度，通道增益输出，噪声系数，带外抑制，带内抑制，电源及功耗等，这些指标均是射频前端模块设计过程中必不可少的内容，同时需要进行参数要求。（2）抗干扰接收机信道模块作为重要模块，对整个抗干扰性能起到决定性影响，如果幅相存在差异对调零算法的调整深度将会造成重要影响，同时对信号的接收也会造成影响，因此在射频通道设计过程中需要充做到细致，将北斗卫星接收的信号进行LNA处理，进行介质滤波器1变频滤波，而后利用放大器1放大，再进行介质滤波器2滤波，放大器2，介质滤波器3，放大器3进行处理，最后信号输出进行数字信号处理。（2）变频模块设计需要关注以下指标。本振频率，中频宽带以及中频通道。变频模块其主要是在不失真的情况下将高射频信号转变为低射频信号，想要进一步保证信号处理的有效性需要进行一次变频[3]。（3）信道模塊通常具有较多的信道数量，但是受到天线装置的体积以及电磁等内容影响易造成见多信道干扰，而且信道模块功能消耗大，因此在设计过程中需要充分结合电磁兼容和功耗情况，文章在设计中坚持了以下内容。a利用屏蔽槽将所有通道进行统一放置，以此防止各信道之间的相互干扰;b利用贴片安装方法安装器件，控制印制板厚度提高传热效果;c保证印制板接地设计，降低电磁干扰;d控制耐热性差的元器件距离，做好隔热装置。

2.5信号处理器硬件设计

该部分设计主要是为了满足中频信号数字化采样处理同时进行空时自适应处理算法，提高信号抗干扰能力，保证信号接收完整。在设计过程中需要对A/D器件进行功能选择。速率控制在8MHz，采样速率控制16MHz，并且需要保证极高分辨率，易14位以上A/D器件为主;针对接口特征，需要做到A/D器件能够正常和变频器连接，除此之外还需要综合考虑编码方法以及电平因素，在本次设计中A/D选择79db信噪比，且采样速率为130Msample/s的AD9460，其功耗为1.4W。

3自适应处理算法设计

上述文章分析针对自适应列阵天线在进行抗干扰处理过程中，可以利用空域滤波技术频率滤波技术以及时域滤波技术和空时自适应滤波技术。宽带干扰过程中时域滤波效果差，窄带干扰中频域滤波效果差，抗干扰自由度空域滤波效果不理想。而空时自适应滤波是基于上述三种滤波方法进行优化形成，既能够有效提高抗干扰自由度，同时还可以从整体上提高抗干扰能力。通过对空时自适应滤波进行仿真，发现针对空时抗干扰可以明显提高对抗干扰数，能够满足窄带干扰以及宽带干扰需求，基于理论研究，其抗宽带干扰3个改善因子≥40db。

结束语

文章主要是针对弹载北斗抗干扰天线系统进行设计分析，分析抗干扰天线原理，并且对天线阵子设计、天线组成单元设计、信号单元设计、信号处理器设计以及自适应处理算法设计等内容进行分析，为实际弹载北斗导航天线抗干扰系统研究提供指导。

参考文献

[1]张文君. 基于北斗卫星导航系统的多频段天线研究与设计[D].山东科技大学，2018.

[2]涂小岚，张广驰，万林青，崔苗，林凡.多天线主动窃听系统的干扰机优化设计[J].计算机应用研究，2019，36（01）：254-257.