趙碧峰 趙志彥 馬 欣 /

1. 廣州市無線電監(jiān)測計算站；2. 上海市計量測試技術(shù)研究院，上海市電磁兼容檢測重點實驗室

0 引言

無線電測向是根據(jù)電磁波傳播特性，使用儀器設(shè)備測定無線電波來波方向的過程。相關(guān)干涉測向是干涉儀測向的一種，通過測量不同天線單元在不同的波前位置所接收的信號之間的相位差，再將測得的相位差與已知的某角度入射波的相位差(即樣本)進行比較。經(jīng)過相關(guān)運算和插值處理，從相關(guān)性最大的數(shù)據(jù)得出來波方向。相關(guān)干涉測向系統(tǒng)由測向天線和接收處理單元組成，其中測向天線對測向準確度影響最大。天線陣的設(shè)計和天線原始相位樣本的采集是影響測向天線性能的關(guān)鍵。

1 測向天線的設(shè)計

干涉儀測向技術(shù)在工程應(yīng)用中的關(guān)鍵在于如何解決天線陣超孔徑、相位模糊和測量誤差。

實際的相關(guān)干涉測向系統(tǒng)天線，需要用分層和多種基線組合來使系統(tǒng)的測量范圍覆蓋所需的測量頻段。確定天線各基線的孔徑與波長比D/λ的門限值（最大值），在實現(xiàn)大孔徑測向時避免出現(xiàn)超孔徑，這成了天線設(shè)計的關(guān)鍵。D/λ到達門限值，隨著頻率的增高，將采用D較短的基線組合或天線層。通常這個門限值取1.5左右。

下文是VUHF頻段五單元相關(guān)干涉圓形測向天線分層結(jié)構(gòu)與尺寸的實例（圖1）。

為了獲得準確的測向結(jié)果、減少測向誤差，必須采用盡可能大的孔徑的測向天線，同時也要避免孔徑過大而造成的相位模湖。因此，天線分層和尺寸的設(shè)定要綜合考慮孔徑、模糊的影響，而且天線要適用于場地安裝。

圖1 五單元圓形測向天線陣

同一層天線也可以通過選擇不同的基線組合。在同一天線層中，低頻率段采用基線較長星型的基線組合（1-3、2-4、3-4、4-1、5-2），如圖2實線部分，而在高頻率段采用基線相對較短的環(huán)形組合（1-2、2-3、3-4、4-5、5-1），如圖2虛線部分。這樣可通過增大天線元之間的間距，減少天線間互耦的影響，改善整個頻段的測向準確度。本文天線設(shè)計的各種分層和基線組合的D/λ值見表1。

圖2 五元基線組合

表1 各種分層和基線組合的D/λ值

2 天線原始相位樣本采集

根據(jù)相關(guān)測向原理，每套測向天線都有相應(yīng)的原始相位樣本文件（天線校正文件）。天線校正文件中的樣本（頻率和方向）的選擇應(yīng)根據(jù)實際需要。樣本點越多，測向準確度越高，但相關(guān)運算時計算時間越長，影響測向速度。取點的思路是孔徑小的頻段盡量多取，即頻率步長要小；孔徑大的頻段可以少取，即頻率步長可大。表2是圖2天線樣本頻率選擇的例子。

表2 頻率步長選擇示例

天線的原始相位樣本可根據(jù)設(shè)計尺寸通過幾何運算計算出來。但實際天線在生產(chǎn)過程和安裝中會出現(xiàn)一定的偏差，且每套天線不盡相同。需要通過場地測試獲取天線的原始相位樣本。

原始相位樣本需要在標準場地安裝系統(tǒng)設(shè)備進行測試采集。測向天線放在360°的轉(zhuǎn)臺中按一定的角度步長轉(zhuǎn)動，在遠處按表2的頻率發(fā)射同極化方向足夠強的未調(diào)制信號，同時記錄各基線的相位差樣本。樣本數(shù)據(jù)中可能有個別由于測試場地或儀器的原因造成異常，需經(jīng)人工調(diào)整和平滑處理后生成樣本文件。假設(shè)天線基線相位樣本的角度步長為4°，共需采集天線相位樣本5×頻率點數(shù)×360/4 個（圖3）。

圖3 測向天線的原始相位樣本采集

信號源離被測天線的距離理論上應(yīng)該是無限遠，以保證測向天線收到的入射信號為平面波。如圖4所示，根據(jù)測向原理，若信號源在無限遠，A和B天線接收到的信號對應(yīng)的波程差是AC。如果信號源在T，那么波程差就是AD。這就是入射信號為非平面波造成的測向誤差。

圖4 非平面波造成的測向誤差

根據(jù)相關(guān)干涉儀測向原理，低頻段時測向結(jié)果對相位差較為敏感。根據(jù)圖4的幾何關(guān)系，測向距離為L時，相位誤差φerror為

當頻率為20 MHz時，入射角為45°，d= 2.8 m，若要相位誤差小于2°，測向距離至少約100 m。標準場地的條件是很難滿足的，實際測試場地要選擇平坦、開闊、沒有建筑物或樹木的遮擋，關(guān)鍵是附近沒有電磁輻射的干擾。由于實際場地的限制，只能選擇一定的距離，并使造成的測向誤差控制在準確度評估允許的范圍之內(nèi)。通常測試場地大小至少有15λ長、10λ寬。發(fā)射源離被測天線的最小距離為5λ，其中λ為最低測試頻率波長。

對于20 ～ 50 MHz低頻段小孔徑測向來說，一些場地環(huán)境的因素如建筑物的反射、場地不平或?qū)щ娐什痪鶆蛞鸬碾姴ɑ儗y向誤差的影響也很大。因此，測試場地的好壞直接影響該頻率段相位樣本采集的質(zhì)量。圖5就是同一測向天線在兩種不同場地下樣本采集的結(jié)果。

圖5（a）中的測試樣本數(shù)據(jù)受場地多重反射的影響，相位抖動嚴重。

實際場地測試時，電磁環(huán)境很難做到非常干凈。要先進行場地電磁環(huán)境測試，在選擇測試樣本的頻率時避開干擾信號。選擇非整數(shù)、非標準信道間隔的頻率點是明智之舉（如不用20 MHz而用20.16 MHz，其他頻率亦然）。

要得到好的測試樣本，還要注意調(diào)整各頻段發(fā)射源的輸出電平幅度，使測向機在全頻段的接收電平基本相同，平坦度在2 dB以內(nèi)。通常將接收電平保持在高于測向系統(tǒng)設(shè)備接收靈敏度20 dB左右。另外，需調(diào)整發(fā)射天線的離地高度，使得采集到的樣本相位-頻率變化無明顯抖動。

圖5 現(xiàn)場環(huán)境對樣本采集質(zhì)量的影響

3 結(jié)語

相關(guān)干涉測向體系是目前應(yīng)用最多的一種無線電測向體制，技術(shù)日趨成熟。由于其優(yōu)異的性能，在軍事和無線電管理上得到廣泛的應(yīng)用，仍然是今后一個重要的發(fā)展方向。本文以五單元天線陣為例，探討了影響測向系統(tǒng)性能的天線孔徑和原始相位樣本等關(guān)鍵技術(shù)問題。提出的解決方案已成功應(yīng)用于實際測向系統(tǒng)中，有效地提高了系統(tǒng)的測向準確度。

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