傅亦源,于 鵬,焦 斌

(中國(guó)人民解放軍63880部隊(duì),河南洛陽(yáng)471003)

0 引言

隨著GPS在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,GPS對(duì)抗也日趨激烈[1]。不論采用何種干擾樣式,都需要通過(guò)天線耦合,使干擾信號(hào)進(jìn)入敵方GPS接收機(jī),使干擾有效。為獲得良好干擾效果,設(shè)計(jì)干擾機(jī)天線時(shí)必須使其極化特性與GPS接收天線極化特性一致。

目前,GPS接收機(jī)天線大多采用圓極化微帶天線,這里的圓極化指微帶天線主軸方向上的極化特性。實(shí)際應(yīng)用中GPS接收機(jī)為了接收衛(wèi)星信號(hào),接收天線主軸垂直向上。而干擾機(jī)使用時(shí),相對(duì)敵方GPS接收機(jī)較遠(yuǎn),干擾信號(hào)一般不從主軸方向,而是從側(cè)面進(jìn)入GPS接收天線,如圖1所示。因此需要考慮GPS接收機(jī)微帶天線側(cè)面的極化特性,選擇合適的干擾信號(hào)極化方式,以獲得良好干擾效果。

為了描述方便,本文中假設(shè)電場(chǎng)平行于微帶天線表面的信號(hào)為水平極化;電場(chǎng)垂直于微帶天線表面的信號(hào)為垂直極化。

圖1 GPS干擾態(tài)勢(shì)圖

1 圓極化微帶天線的極化特性

微帶天線以重量輕、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊和易于共形等特點(diǎn)已獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。盡管圓極化天線形式各異,但產(chǎn)生機(jī)理萬(wàn)變不離其宗[2]。本文以圖2中的結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析。

分析微帶天線有傳輸線理論、腔模理論、格林函數(shù)法、矩量法和時(shí)域有限差分法(FDTD)等方法。對(duì)于矩形、圓形等規(guī)則形狀的微帶天線的工程計(jì)算,多采用腔模理論[3]。

圖2 圓極化微帶天線

圖2是貼片邊長(zhǎng)為a、介質(zhì)基片厚h、相對(duì)介電常數(shù)為εr、饋電點(diǎn)為 c、d的圓極化微帶天線。

根據(jù)腔模理論,作如下假設(shè)：

①在 c、d 處加恒流電源Jzx=1、Jzd=e-jπ/4;

②微帶貼片外表面電流為零;除了激勵(lì)點(diǎn)外所有微帶邊緣上法向電流為零;

③在微帶貼片和接地板之間,電場(chǎng)僅有Ez分量,磁場(chǎng)只有 Hx、Hy分量,所有場(chǎng)量?jī)H是 x、y的函數(shù),而與z坐標(biāo)無(wú)關(guān)。

從圖2中可以看出,對(duì)應(yīng)于 c、d2個(gè)饋電點(diǎn)中的任意一個(gè),諧振時(shí)微帶天線的本端和對(duì)端等效磁流是同相的,而側(cè)壁的磁流則兩兩相反。利用二元陣得到c、d 2個(gè)饋電點(diǎn)的相應(yīng)主極化輻射場(chǎng)為：

式(1)中的 V0c=hEzc和式(2)中的 V0d=hEzd=hEzce-jπ/2,為諧振時(shí)2個(gè)輸入端口的輸入電壓;k為自由空間傳播常數(shù),a為貼片寬度,θ為干擾信號(hào)入射方向與Z軸夾角。

總的合成場(chǎng)為：

根據(jù)式(1)、式(2)、式(3),計(jì)算得到微帶天線不同輻射角上的水平極化分量與垂直極化分量的關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看出入射角 θ小于54.73°時(shí),垂直分量小于水平分量;入射角 θ大于54.73°時(shí),垂直分量大于水平分量。

圖3 微帶天線水平極化分量與垂直極化分量比較

當(dāng)信號(hào)從側(cè)面進(jìn)入天線時(shí),也就是 θ=90°,結(jié)合式(1)、式(2)、式(3)得到微帶天線側(cè)面輻射電場(chǎng)：

直角坐標(biāo)系與球坐標(biāo)系的變換矩陣為：

從式(5)中可以看出,當(dāng) θ=90°,也就是在水平面上,有 θ⌒=-z⌒,電場(chǎng) E→h只有z⌒分量,微帶天線的極化特性成為垂直極化方式。根據(jù)天線互易定理,天線的接收極化特性與其發(fā)射極化特性是一致的。因此主軸上為圓極化的微帶天線,當(dāng)接收側(cè)面入射的信號(hào)時(shí),其極化特性為垂直極化。

當(dāng)側(cè)面入射的干擾信號(hào)為垂直極化,干擾信號(hào)可以通過(guò)GPS接收機(jī)天線進(jìn)入到接收機(jī)處理單元;如果干擾信號(hào)為水平極化,GPS接收機(jī)接收到的干擾信號(hào)將很小,甚至接收不到干擾信號(hào),導(dǎo)致干擾失敗;如果干擾設(shè)備采用圓極化天線,將圓極化信號(hào)分解為垂直分量和水平分量,GPS接收機(jī)天線可以接收到垂直極化分量,而無(wú)法接收水平極化分量。為了得到相同的干擾效果,圓極化干擾信號(hào)強(qiáng)度需要比垂直極化大3 dB。

對(duì)于其他形式的圓極化微帶貼片天線,也都工作TM01和TM10模諧振,因此在側(cè)面只存在電場(chǎng)Ez分量,同樣表現(xiàn)為垂直極化特性。

2 載體的影響

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,越來(lái)越多武器平臺(tái)加裝GPS設(shè)備。對(duì)這些目標(biāo)進(jìn)行干擾時(shí),需要考慮載體平臺(tái)金屬面對(duì)干擾信號(hào)產(chǎn)生的影響。影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：

①遮擋影響。載體遮擋面較大時(shí)會(huì)有明顯的遮擋效益。載體尺寸或遮擋面面積較小,與GPS信號(hào)工作波長(zhǎng)接近時(shí),干擾信號(hào)可以通過(guò)繞射方式傳播,載體的遮蔽影響可以用幾何繞射理論分析,本文不做詳細(xì)分析;

②反射影響。載體的金屬表面在電磁波的作用下會(huì)感應(yīng)出電流,并向空間產(chǎn)生二次輻射。在GPS接收天線附近的空間里除了原來(lái)的信號(hào)外,還有載體表面電流產(chǎn)生的次級(jí)場(chǎng),天線接收到的是這2個(gè)場(chǎng)的矢量和。因此天線安裝在載體上的方向圖與自由空間中的天線方向圖不同。

研究載體金屬面對(duì)GPS天線電性能的影響比較復(fù)雜,本文用鏡像法近似分析。假設(shè)一個(gè)基本電振子垂直放置在無(wú)限大的理想導(dǎo)體平面上,其導(dǎo)體上半空間的場(chǎng)可以等效為由源以及對(duì)稱位置上的鏡像疊加形成。載體平面對(duì)天線方向圖的影響可歸結(jié)為求解天線及其鏡像組成的二元陣的陣函數(shù)問(wèn)題。

不同天線的鏡像如圖4所示。垂直振子的鏡像為正鏡像,振子及其鏡像組成了一個(gè)等幅同相二元陣,天線接收增益變大;水平振子的鏡像為負(fù)鏡像,振子及其鏡像組成一個(gè)等幅反相二元陣,天線接收增益變小。因此對(duì)于水平入射的垂直極化信號(hào),安裝在載體上的微帶天線接收到的信號(hào)比自由空間大,而接收水平極化信號(hào)能力將進(jìn)一步減弱。

圖4 線天線及其鏡像

結(jié)合上述對(duì)圓極化微帶天線的分析可以得出：對(duì)于天線水平方向入射的干擾信號(hào),微帶天線表現(xiàn)為垂直極化特性,對(duì)垂直極化信號(hào)接收效果較好,對(duì)水平極化信號(hào)接收效果差。當(dāng)GPS接收天線安裝在載體上后,對(duì)天線水平方向入射的垂直極化信號(hào)接收效果有增強(qiáng)的作用,而對(duì)水平極化信號(hào)接收效果有進(jìn)一步削弱的作用。對(duì)于圓極化信號(hào),可以分解為水平極化和垂直極化,垂直極化分量增大,而水平分量進(jìn)一步減小。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用單個(gè)GPS圓極化微帶天線分別接收側(cè)面入射的同等輻射功率的垂直極化、水平極化以及圓極化干擾信號(hào),測(cè)試并記錄接收的干擾信號(hào)功率。然后將GPS接收天線安裝在某載車頂部,天線主軸垂直向上,干擾信號(hào)從GPS接收機(jī)天線側(cè)面入射,測(cè)試并記錄不同極化形式干擾信號(hào)功率。測(cè)試結(jié)果如表1所示,單位為dBm。

表1 不同極化干擾信號(hào)接收功率

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,對(duì)于單個(gè)微帶圓極化天線,接收到的側(cè)面入射的垂直極化信號(hào)功率最大;圓極化信號(hào)比垂直極化小2.7 dB;水平極化信號(hào)比垂直極化信號(hào)小5.61 dB。說(shuō)明圓極化微帶天線接收從側(cè)面入射的水平極化干擾信號(hào)能力弱。

當(dāng)天線安裝在載車上后,對(duì)垂直極化干擾信號(hào),比安裝前的測(cè)量值增大了3.16 dB;對(duì)于水平極化信號(hào),比安裝前的測(cè)量值減小了6.56 dB;對(duì)于圓極化干擾信號(hào),比安裝前的測(cè)量值增大了2.33 dB。測(cè)試情況與理論分析一致。

天線安裝在載車上后,接收到的垂直極化信號(hào)最大;圓極化信號(hào)比垂直極化小2.83 dB,與理論值3 dB接近;水平極化信號(hào)接收功率比垂直極化信號(hào)小15.33 dB。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論分析和試驗(yàn)結(jié)果可以看出,圓極化微帶天線接收側(cè)面入射信號(hào)時(shí),其極化方式為垂直極化,接收垂直極化干擾信號(hào)效果明顯。受GPS天線安裝載體的影響,天線加裝后接收側(cè)面入射的垂直極化信號(hào)能力增強(qiáng),接收側(cè)面入射的水平極化信號(hào)能力減弱。因此在設(shè)計(jì)GPS干擾系統(tǒng)時(shí),天線應(yīng)優(yōu)先考慮垂直極化方式,也可以采用圓極化或45°斜線極化,若采用水平極化干擾信號(hào),由于極化不匹配,將導(dǎo)致干擾效率大為降低。

[1]譚顯裕.GPS用于軍用導(dǎo)航中的抗干擾和干擾對(duì)抗研究.電光與控制[J].2000,11(4)：23-28.

[2]薛睿峰,鐘順時(shí).微帶天線圓極化技術(shù)概述與進(jìn)展[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào).2002,17(4)：331-336.

[3]劉克成,宋學(xué)誠(chéng).天線原理[M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社,1989：159-160.