國家無線電監(jiān)測中心 王敬燾

一、引言

在超短波頻段，無線電技術應用最為豐富，頻譜資源最為緊張，電磁環(huán)境也最為復雜，因而維護好超短波頻段的電波秩序、保證合法用戶的權利和頻譜資源的有效利用，成了各級無線電管理機構的重點工作任務之一。在此頻段最常使用的無線電管理技術裝備即為超短波無線電測向系統(tǒng)，它在干擾查找和日常任務執(zhí)行當中發(fā)揮了不可替代的重要作用，因而其性能的優(yōu)劣，尤其是抗干擾能力的好壞將直接影響到無線電管理部門執(zhí)行任務的質量和速度。

二、系統(tǒng)概述

超短波無線電測向系統(tǒng)是指固定架設或臨時架設在某一較高地理位置，對在附近一定區(qū)域內工作的、在30MHz～3000MHz頻段的無線電信號輻射源進行測量并顯示信號方位等測量信息的無線電測量系統(tǒng)，它一般由測向天線、測向信道接收機和測向終端處理機三部分組成（見圖1）。

測向天線通常包括天線單元和天線信號前置預處理器兩部分。天線接收無線電信號，且含有各陣元間的幅度差或相位差信息。天線信號前置預處理單元對定向天線單元中各天線元輸出的射頻信號進行預處理，保證定向天線單元輸出的電壓與來波方位或空間角度之間有穩(wěn)定的幅度或相位關系。

測向信道接收機用于對測向天線輸出信號進行選擇、放大、變換等，使之適應后面測向終端處理機對信號的技術要求。根據(jù)測向方法的不同和測試需要，測向接收機可以選擇單信道、雙信道或多信道接收機。通常雙信道接收機采用共用本振的方式，以確保多信道之間相位特性的一致性。

測向終端處理機包括方位信息處理與顯示單元及監(jiān)控單元，包括A/D轉換、高速DSP及工控機。方位信息處理與顯示單元將測向信道接收機輸出信號中所包含的來波方位信息提取出來，并進行分析處理，最后按照指定的格式和方式顯示出來。監(jiān)控單元對測向天線、測向信道接收機、方位信息處理與顯示單元等各部分的工作狀態(tài)進行監(jiān)視與控制。

三、主要性能指標

對測向系統(tǒng)性能指標的描述有很多參數(shù)，從技術角度分析，可以歸納為以下幾個方面：

（1）測向靈敏度。也稱為測向接收靈敏度，指在規(guī)定的測向誤差范圍內，測向系統(tǒng)能測定輻射源方向的最小信號的場強或功率。它是一個與允許測向誤差有關的指標，在給出測向靈敏度指標的同時，還要注明所容忍的測向誤差。

（2）測向精度。也稱測向準確度，指測向系統(tǒng)測得的來波方向與被測輻射源的真實方位之間的角度差，一般用均方根值表示。測向精度越高越好，或者說測向誤差越小越好。

（3）工作頻率范圍。是指測向系統(tǒng)在正常工作條件下，從最低工作頻率到最高工作頻率的覆蓋頻率范圍，也稱為測向系統(tǒng)的頻率覆蓋范圍，在此范圍內要不低于標稱的工作指標。

（4）處理帶寬和頻率分辨力。不同體制和調制樣式的無線電通信信號，通常占據(jù)不同的信號帶寬，這就要求測向信道接收機能夠選擇不同的處理帶寬與之相適應。頻率分辨力是衡量測向系統(tǒng)從頻率上選擇區(qū)分兩個相鄰近信號的能力，主要取決于測向系統(tǒng)的最小處理帶寬或信道接收機中頻選擇帶寬的最小值，以及其中頻濾波器的矩形系數(shù)。

（5）抗干擾性。測向系統(tǒng)抗干擾性指標包括兩個方面的內涵：一個是衡量測向設備在有干擾噪聲的背景下進行正常測向的能力，通常用測向設備在正常測向條件下所允許的最小信號來衡量。另外一個就是衡量測向系統(tǒng)在干擾環(huán)境中選擇信號、抑制干擾的能力，它用有用信號與干擾信號同時進入測向信道接收機時所允許的最大信干比來衡量。

（6）時間特性。測向系統(tǒng)的時間特性指標通常用測定一個目標信號的來波方向所需的最短時間來衡量，或用每秒鐘所完成的測向次數(shù)來描述，包括測向設備截獲目標信號后的信號建立時間與獲取方位數(shù)據(jù)所需的最短處理時間。

（7）可靠性。是衡量測向系統(tǒng)在各種惡劣的自然環(huán)境條件下無故障正常工作的質量指標，它包括對工作溫度范圍的要求、對濕度的要求、對沖擊振動的要求，同時還包括工作電源標準和波動范圍、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)工作能力、系統(tǒng)開展工作的易操作性及自動化程度等方面。

（8）極化誤差。指當測向系統(tǒng)接收的電磁波不是單一極化方式的電磁波，即測向天線與入射波的極化平面有一定的角度差，入射波中包含水平極化分量和垂直極化分量時，產(chǎn)生的測向誤差。這主要是由于所用的天線體系對垂直分量和水平分量接收的方向特性圖不同造成的。

四、測向系統(tǒng)抗干擾能力分析

1. 當前抗干擾能力指標的不足

從當前超短波頻段測向系統(tǒng)衡量指標來看，測向系統(tǒng)的抗干擾能力是衡量系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境情況下，設備性能優(yōu)劣的一項極為重要的指標，也是最關鍵的指標（見圖2）。當前有關于測向系統(tǒng)抗干擾能力的測試多是在環(huán)境存在干擾的情況下，無線電測向系統(tǒng)能夠保持其對待測信號測向準確度的能力。根據(jù)干擾信號頻率是否落在測向設備中頻通帶的不同，分為帶內測向抗擾度、帶外測向抗擾度，均是基于存在小信號干擾為前提的，此時測向系統(tǒng)能夠對所測輻射波信號進行測向，并達到規(guī)定的測向準確度時可以允許的兩信號的差值。顯然，兩信號的差值越小，表示測向設備的測向抗擾度越佳。

在實際工作中，利用兩套指標相近的測向系統(tǒng)對正常信號測向時，表現(xiàn)出來的性能無太大差別。但在復雜的電磁環(huán)環(huán)境中，尤其是存在大信號的情況下，表現(xiàn)的測向效果差別很大。特別是對于配有有源天線的測向天線來說，這種差別非常明顯，有時候還是致命的，導致在大信號環(huán)境中根本無法工作。

因此，目前測向系統(tǒng)抗干擾能力指標的測試已經(jīng)不能夠反映系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，必須采用一種新的方法來衡量測向系統(tǒng)的性能。

2. 接收機抗大信號能力的啟示

在監(jiān)測接收機測試中，其中一項指標是監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生虛假響應的概率即監(jiān)測系統(tǒng)的失真率。分析監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生虛假信號的重要原因是射頻前端存在多信號接收現(xiàn)象，且信號強度較大，導致射頻前端進入非線性工作區(qū)域。要降低接收機的的失真度，就要控制多信號同時進入接收機前端，即控制接收機前端射頻寬度，選用窄帶接收機，具有高的RF選擇性。設法減少射頻接收電路和接收機前端器件的非線性，增加它們的線性動態(tài)范圍，不僅要提高接收機的線性動態(tài)范圍，更要提高天線和射頻矩陣等射頻接收電路的線性動態(tài)范圍。監(jiān)測系統(tǒng)的線性接收能力主要通過監(jiān)測系統(tǒng)二階互調截點、三階互調截點等參數(shù)來描述。

接收機中用IP2和IP3可以很順暢的表達其抗失真能力，一個很重要的有利條件就是當其輸入兩個功率量綱的參數(shù)時，其失真后的特征仍可用功率來表示，這樣就可在閉路環(huán)境中順利測量，無太多懸念。但對于測向系統(tǒng)來說，當輸入的是兩個功率量綱參數(shù)時，失真特性表征出來的參數(shù)只能是測向精度，無法和輸入?yún)?shù)具有相同量綱，因此在此領域一直無特別恰當?shù)膮?shù)來評估。同時，大家以前對測向系統(tǒng)的測向精度和靈敏度更關注，也就是對小信號環(huán)境更關心，所以也就忽略了測向系統(tǒng)在大信號環(huán)境中的工作能力評估了。

3. 對新的抗干擾能力指標的考慮

我們可以引入接收機測量互調能力的方法，問題的關鍵就是如何在輸入功率和輸出測向角度之間找到一個合適的參數(shù)，解決二者的量綱問題，則測向系統(tǒng)抗失真能力的評估問題就可以解決。為此，在測向系統(tǒng)中，我們也引入此概念，即在有較強干擾信號的情況下，由于測向系統(tǒng)的非線性原因在接收前端產(chǎn)生互調信號，當互調信號到達一定強度時，測向系統(tǒng)將會對互調信號給出示向度。具體示意圖見圖4。

按圖4所示，第一次測試利用信號源產(chǎn)生f1信號，此時測向系統(tǒng)會給某一臨界示向度；第二次用該信號源和另一個信號源發(fā)射f1+3B和f1+6B信號，則在f1或f1+9B上會出現(xiàn)互調信號，同樣也會產(chǎn)生示向度。只要調整信號源的輸出功率，讓互調信號的示向度和第一次一樣，均為臨界數(shù)值，測試查驗兩次信號源的功率差值，即為測向系統(tǒng)抗大信號能力的特征參數(shù)。此數(shù)值可稱為測向系統(tǒng)的互調抑制度，數(shù)值越大越好。同時，為簡化測量模型，主要考察對三階一型互調信號的抑制能力。

五、測向系統(tǒng)互調抑制度的測試

對于超短波無線電測向系統(tǒng)互調抑制度的測試可以按如下方法開展：在測試場地中，發(fā)射系統(tǒng)1和發(fā)射系統(tǒng)2的配置相同（含天饋系統(tǒng)），方位位置相同，但高度要有所差別，以增加空間隔離度；且發(fā)射系統(tǒng)天線到被測系統(tǒng)天線之間的距離不小于5λ，λ指被測系統(tǒng)最低測試頻率的波長。

1. 測試步驟

（1）設置被測系統(tǒng)的測向帶寬為B，測向頻點為某一測量頻點fi；設置發(fā)射系統(tǒng)1輸出為標準單載波信號，頻率為某一測量頻點fi。逐漸調整發(fā)射系統(tǒng)1輸出功率，直到被測系統(tǒng)在fi產(chǎn)生偏差為б（б一般取3°）的示向度，記錄此時發(fā)射系統(tǒng)1的輸出功率P1。

（2）保持測向系統(tǒng)設置不變；調整發(fā)射系統(tǒng)1的工作頻率為某一測量頻點fi+3B，調整發(fā)射系統(tǒng)2的工作頻率為某一測量頻點fi+6B，設置發(fā)射系統(tǒng)2輸出為標準單載波信號。在恰當?shù)妮敵龉β蕳l件下，二者會在被測系統(tǒng)產(chǎn)生一個頻率為fi或fi+9B的三階一型接收互調信號；同時調整兩個發(fā)射系統(tǒng)的功率，直到被測系統(tǒng)在fi或fi+9B產(chǎn)生偏差為б（б一般取3°）的示向度；

（3）記錄此時發(fā)射系統(tǒng)1的輸出功率P2。發(fā)射系統(tǒng)1的輸出功率P1和P2之間的差值（以dB為單位）即為測向系統(tǒng)互調抑制度。此數(shù)值越大，則表征被測系統(tǒng)的抗互調能力越強。

2. 測試注意事項

在構建測試系統(tǒng)時，由于滿足被測系統(tǒng)出現(xiàn)互調信號的條件是必須在測試系統(tǒng)接收端有大信號出現(xiàn)，而且兩個大信號應該盡量純凈，因此在構建測試系統(tǒng)及測試時，應特別注意以下幾點：

⊙ 測試場地應地面平坦，周圍沒有高大遮擋物，大小

至少要有20λ長和15λ寬，以便形成開闊場。

⊙ 發(fā)射系統(tǒng)1和發(fā)射系統(tǒng)2的配置應相同，并要對其輸出功率進行校準補償，使兩者分別發(fā)射時，被測系統(tǒng)天線處接收到的信號強度相同，以滿足互調信號的產(chǎn)生條件。

⊙ 發(fā)射系統(tǒng)中配備的功率放大器應確保其性能指標要符合要求，特別是其諧波輸出、雜散輸出和互調抑制等指標，以確保到達被測系統(tǒng)時的信號為兩個純凈的信號，互調信號的產(chǎn)生是由被測系統(tǒng)本身的非線性原因產(chǎn)生的而不是由發(fā)射系統(tǒng)互調產(chǎn)生。

⊙ 為避免產(chǎn)生發(fā)射機互調信號，如條件允許，可在功率放大器和發(fā)射天線間加單向隔離器，阻止信號由天線進入相鄰功率放大器內部，切斷發(fā)射機互調產(chǎn)生的途徑。同時，為確保是接收機互調信號，應采取技術手段對目標信號加以驗證。

⊙ 在測試中，由于屬于是開場測試，信號衰減很大，發(fā)射系統(tǒng)1和發(fā)射系統(tǒng)2發(fā)射的信號頻率不能相差太大，一般取被測系統(tǒng)測向帶寬B的3倍即可（測向帶寬一般選擇10kHz～15kHz，如果被測系統(tǒng)不支持該范圍內的測向帶寬，則選擇大于該參數(shù)的最近數(shù)值），這樣產(chǎn)生互調信號的條件較容易滿足。同時，還要注意避開空中干擾信號。

六、結束語

通過實際測試，當發(fā)射系統(tǒng)1和發(fā)射系統(tǒng)2的發(fā)射信號達到一定功率時，被測系統(tǒng)由于自身的非線性原因將會產(chǎn)生互調信號，并給出示向度，驗證了測試方法的有效性。根據(jù)測試的結果，可對超短波無線電測向系統(tǒng)抗干擾能力即抗大信號能力進行衡量和評估，為超短波無線電測向系統(tǒng)的設計生產(chǎn)和性能評估提供有力的技術依據(jù)。