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        GPS天線陣列幅相一致性研究

        2014-04-16 07:16:10韓應(yīng)都黃春華牛臻弋
        航空兵器 2014年1期

        韓應(yīng)都+黃春華+牛臻弋

        摘 要:研究了小規(guī)模GPS天線陣列中不同單元天線接收信號(hào)的幅相一致性及其對(duì)陣列接收 方向圖自適應(yīng)調(diào)零的影響。對(duì)正方形排布和三角形排布的GPS天線陣列分別進(jìn)行了仿真。仿真結(jié) 果表明,陣元間互耦對(duì)單元天線的接收方向圖有著明顯的影響,三角形排布陣列的單元天線接收 信號(hào)的幅相一致性要優(yōu)于正方形排布陣列。然后,進(jìn)一步研究了7元GPS天線陣的幅相一致性對(duì) 陣列天線方向圖零點(diǎn)形成的影響,給出了陣列接收方向圖零陷深度隨干擾信號(hào)入射方向變化的響 應(yīng)曲線。

        關(guān)鍵詞:自適應(yīng)調(diào)零天線;GPS天線;陣列天線;幅相一致性

        中圖分類號(hào):TP911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1673-5048(2014)01-0026-04

        ResearchonAmplitudeandPhaseImbalanceofGPSAntennaArray

        HANYingdu1,HUANGChunhua2,NIUZhenyi3

        (1.ChinaAirborneMissileAcademy,Luoyang471009,China;2.ShanghaiAerospaceSystem EngineeringInstitute,Shanghai201108,China;3.CollegeofElectronicandInformationEngineering, NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

        Abstract:Theamplitudeandphaseimbalanceofreceivedsignalsbydifferentelementantennasina smallscaleGPSantennaarrayanditseffectontheadaptivenullsteeringofreceivedarraypatternarein vestigated.AsquarearrangementGPSantennaarrayandatriangulararrangementonearesimulatedre spectively.Theresultsshowthatthereceivedpatternsofelementantennasareinterferedbythemutual couplingbetweentheelementantennas,andtheamplitudeandphaseimbalanceofreceivedsignalsby differentelementantennasinatriangulararrangementantennaarrayissuperiortothatinasquarear rangementone.Thereafter,theinfluenceoftheamplitudeandphaseimbalanceofa7elementsGPSan tennaarrayonthepatternnullingofarrayisresearchedfurther.Theresponsecurveofthenulldepthof receivedarraypatternversustheilluminateddirectionofinterferencesignalispresented.

        Keywords:adaptivenullingantenna;GPSantenna;arrayantenna;amplitudeandphaseimbalance

        0 引 言

        在GPS接收機(jī)抗干擾技術(shù)中,采用自適應(yīng)零 點(diǎn)形成的方法使接收天線陣列方向圖在干擾方向產(chǎn)生零點(diǎn)是一種常用的抗干擾技術(shù)。但是,常規(guī)零 點(diǎn)形成算法都是建立在接收天線為理想全向天線 的假設(shè)之上,即要求各單元天線接收到的信號(hào)具 有理想的幅相一致性。對(duì)于實(shí)際的陣列天線來(lái)說(shuō), 不僅單元天線的方向圖不是理想的全向方向圖, 而且陣元間的互耦會(huì)對(duì)陣元天線的方向圖構(gòu)成彼 此干擾,使得各個(gè)天線單元接收到的信號(hào)幅相一 致性隨入射角發(fā)生明顯變化,進(jìn)而導(dǎo)致常規(guī)的抗干擾算法在某些方向上性能嚴(yán)重惡化[1-7]。

        本文應(yīng)用HFSS軟件對(duì)正方形排布和三角形排 布的兩種GPS天線陣列進(jìn)行了仿真分析,對(duì)比了 兩者的幅相一致性,并且進(jìn)一步研究了7元GPS 天線陣的幅相一致性對(duì)陣列天線方向圖零點(diǎn)形成 的影響。

        1 仿真模型的建立

        仿真中所采用的GPS天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示, 介質(zhì)板采用TaconicCER-10,相對(duì)介電常數(shù)為10, 介質(zhì)板厚度為6.36mm,介質(zhì)基板邊長(zhǎng)L=60mm,正 方形貼片邊長(zhǎng)a=27.4mm,激勵(lì)位置相對(duì)貼片中心 偏移4mm,右旋圓極化工作,工作頻率為1.575GHz。

        圖2和圖3分別是正方形布陣和三角形布陣的 GPS天線陣列示意圖,天線單元放置在半徑150mm 的金屬板上,單元間距為0.5λ,每個(gè)天線單元編號(hào) 如圖所示。仿真采用的是AnsoftHFSSV11.0軟件。

        2 不同布陣方式的陣列天線單元接收信號(hào) 幅相一致性分析

        為了分析陣列單元間互耦對(duì)陣中各單元天線 接收信號(hào)幅相一致性的影響,分別對(duì)每個(gè)陣中單 元在單獨(dú)饋電的情況下進(jìn)行了仿真。首先比較了 孤立單元與陣中單元的接收方向圖。圖4和圖5分 別給出了正方形布陣和三角形布陣的陣中單元在 YOZ面內(nèi)的右旋圓極化方向圖,同時(shí)繪出了孤立 單元的右旋圓極化方向圖。由圖可以看出,上半空 間的方向圖差異比下半空間小。

        為了對(duì)比各陣中單元接收到的來(lái)自上、下半 空間干擾來(lái)波的幅度和相位差異,進(jìn)一步選取兩 個(gè)典型來(lái)波方向θ=30°和θ=110°來(lái)考察各陣中天 線接收到的上、下半空間信號(hào)的幅相一致性,其中 θ是Z軸與來(lái)波方向的夾角。圖6和圖7分別給出 了θ=30°和θ=110°面內(nèi)來(lái)波方向隨方位角變化 時(shí),兩種陣列中天線單元的接收信號(hào)幅度相對(duì)各 陣中1號(hào)單元幅度差的平均值變化曲線。endprint

        3 陣列方向圖零點(diǎn)形成效果評(píng)估

        在上述仿真結(jié)果基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了三角 形排布陣列陣中天線接收信號(hào)的幅相差異隨干擾 來(lái)波方向變化對(duì)陣列天線接收方向圖零點(diǎn)形成效 果的影響。這里采用自適應(yīng)調(diào)零天線零點(diǎn)形成算 法中常用的LMS算法[8],對(duì)在特定方向上存在干 擾時(shí)的陣列方向圖進(jìn)行優(yōu)化。使用優(yōu)化出的理想 單元天線方向圖的加權(quán)序列對(duì)實(shí)際的單元天線陣 中方向圖進(jìn)行加權(quán),就可得到合成的陣列方向圖。

        LMS算法是以輸出信號(hào)與參考信號(hào)間的均方 誤差最小為判定準(zhǔn)則,采用梯度下降方法更新權(quán) 值,通過(guò)循環(huán)疊加運(yùn)算,最終使權(quán)值收斂,誤差信 號(hào)的均方值達(dá)到最小。

        其輸入矢量為

        X(n)=[x1(n),x2(n),…,xN(n)]T

        加權(quán)矢量為

        W(n)=[w1(n),w2(n),…,wN(n)]T

        陣列加權(quán)后輸出為

        y(n)=WH(n)×X(n)

        均方誤差為

        ξ(n)=E[r2(n)]-2PTW(n)+WT(n)RxW(n)

        式中:r(n)為參考信號(hào),P為輸入矢量X(n)和參 考信號(hào)r(n)的互相關(guān)矢量,Rx是輸入矢量的自相 關(guān)矩陣。

        (2)e(n)=r(n)-y(n)

        (3)Δ(n)=X(n)e(n)

        (4)W(n+1)=W(n)+2μΔ(n)

        圖12給出了干擾波由φ=180°方向入射時(shí),合 成的陣列方向圖在干擾方向形成的零陷深度隨θ變 化的曲線。由圖可以看出,陣列天線形成的零陷深 度隨θ變大而變大。對(duì)于來(lái)自上半空間的干擾,陣 列天線形成的零點(diǎn)深度總體小于-20dB。當(dāng)干擾由 下半空間入射時(shí),系統(tǒng)的抗干擾能力變差,這是由 下半空間單元接收信號(hào)的幅相一致性較差造成的。

        圖13給出了干擾波由θ=40°方向入射時(shí),合 成的陣列方向圖在干擾方向形成的零陷深度隨方 位角φ變化的曲線。由圖可以看出,陣列天線形成 的零陷深度隨φ的變化呈現(xiàn)波動(dòng)的特點(diǎn),波動(dòng)幅度不大于10dB。

        4 結(jié) 論

        本文對(duì)正方形排布和三角形排布的兩種GPS 天線陣列進(jìn)行了仿真分析,對(duì)比了兩者的幅相一 致性。仿真結(jié)果表明,陣元間互耦對(duì)單元天線的接 收方向圖有著明顯的影響,三角形排布陣列的單 元天線接收信號(hào)的幅相一致性要優(yōu)于正方形排布 陣列,上半空間的幅相差異小于下半空間。進(jìn)一步 研究了三角形排布陣列陣中,天線接收信號(hào)的幅 相差異隨干擾來(lái)波方向變化對(duì)陣列天線接收方向 圖零點(diǎn)形成效果的影響,計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)干擾從 上半空間入射時(shí),陣列天線形成的零陷深度較大, 在下半空間時(shí)由于陣列單元接收信號(hào)的幅相一致 性較差,造成系統(tǒng)的抗干擾能力變差。

        參考文獻(xiàn):

        [1]GuptaIJ,KsienskiAA.EffectofMutualCouplingonthe PerformanceofAdaptiveArray[J].IEEETransactionson AntennaandPropagation,1983,31(5):785-791.

        [2]LuY,YanY,YuanJ,etal.TheEffectofChannelMis matchandMutualCouplingonGPSAdaptiveAntennaAr ray[C]∥InternationalConferenceonRadar,2006:1-5.

        [3]LuiHS,HuiHT,LeongMS.ANoteontheMutual CouplingProblemsinTransmittingandReceivingAntenna Arrays[J].IEEEAntennasandPropagationMagazine, 2009,51(5):171-176.

        [4]YuanQ,ChenQ,SawayaK.PerformanceofAdaptiveAr rayAntennawithArbitraryGeometryinthePresenceof MutualCoupling[J].IEEETransactionsonAntennasand Propagation,2006,54(7):1991-1996.

        [5]AdveRS,SarkarTK.EliminationofEffectofMutual CouplinginanAdaptiveNullingSystemWithaLookDi rectionConstraint[C]∥AntennasandPropagationSociety InternationalSymposium,1996:1164-1166.

        [6]AdveRS,SarkarTK.CompensationfortheEffectsof MutualCouplingonDirectDataDomainAdaptiveAlgo rithms[J].IEEETransactionsonAntennasandPropaga tion,2000,48(1):86-94.

        [7]HuiHT.CompensatingfortheMutualCouplingEffectin DirectionFindingBasedonaNewCalculationMethodfor MutualImpedance[J].IEEEAntennasandWireless PropagationLetters,2003,2(1):26-29.

        [8]龔耀鬟.自適應(yīng)濾波—時(shí)域自適應(yīng)濾波和智能天線 [M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.endprint

        3 陣列方向圖零點(diǎn)形成效果評(píng)估

        在上述仿真結(jié)果基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了三角 形排布陣列陣中天線接收信號(hào)的幅相差異隨干擾 來(lái)波方向變化對(duì)陣列天線接收方向圖零點(diǎn)形成效 果的影響。這里采用自適應(yīng)調(diào)零天線零點(diǎn)形成算 法中常用的LMS算法[8],對(duì)在特定方向上存在干 擾時(shí)的陣列方向圖進(jìn)行優(yōu)化。使用優(yōu)化出的理想 單元天線方向圖的加權(quán)序列對(duì)實(shí)際的單元天線陣 中方向圖進(jìn)行加權(quán),就可得到合成的陣列方向圖。

        LMS算法是以輸出信號(hào)與參考信號(hào)間的均方 誤差最小為判定準(zhǔn)則,采用梯度下降方法更新權(quán) 值,通過(guò)循環(huán)疊加運(yùn)算,最終使權(quán)值收斂,誤差信 號(hào)的均方值達(dá)到最小。

        其輸入矢量為

        X(n)=[x1(n),x2(n),…,xN(n)]T

        加權(quán)矢量為

        W(n)=[w1(n),w2(n),…,wN(n)]T

        陣列加權(quán)后輸出為

        y(n)=WH(n)×X(n)

        均方誤差為

        ξ(n)=E[r2(n)]-2PTW(n)+WT(n)RxW(n)

        式中:r(n)為參考信號(hào),P為輸入矢量X(n)和參 考信號(hào)r(n)的互相關(guān)矢量,Rx是輸入矢量的自相 關(guān)矩陣。

        (2)e(n)=r(n)-y(n)

        (3)Δ(n)=X(n)e(n)

        (4)W(n+1)=W(n)+2μΔ(n)

        圖12給出了干擾波由φ=180°方向入射時(shí),合 成的陣列方向圖在干擾方向形成的零陷深度隨θ變 化的曲線。由圖可以看出,陣列天線形成的零陷深 度隨θ變大而變大。對(duì)于來(lái)自上半空間的干擾,陣 列天線形成的零點(diǎn)深度總體小于-20dB。當(dāng)干擾由 下半空間入射時(shí),系統(tǒng)的抗干擾能力變差,這是由 下半空間單元接收信號(hào)的幅相一致性較差造成的。

        圖13給出了干擾波由θ=40°方向入射時(shí),合 成的陣列方向圖在干擾方向形成的零陷深度隨方 位角φ變化的曲線。由圖可以看出,陣列天線形成 的零陷深度隨φ的變化呈現(xiàn)波動(dòng)的特點(diǎn),波動(dòng)幅度不大于10dB。

        4 結(jié) 論

        本文對(duì)正方形排布和三角形排布的兩種GPS 天線陣列進(jìn)行了仿真分析,對(duì)比了兩者的幅相一 致性。仿真結(jié)果表明,陣元間互耦對(duì)單元天線的接 收方向圖有著明顯的影響,三角形排布陣列的單 元天線接收信號(hào)的幅相一致性要優(yōu)于正方形排布 陣列,上半空間的幅相差異小于下半空間。進(jìn)一步 研究了三角形排布陣列陣中,天線接收信號(hào)的幅 相差異隨干擾來(lái)波方向變化對(duì)陣列天線接收方向 圖零點(diǎn)形成效果的影響,計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)干擾從 上半空間入射時(shí),陣列天線形成的零陷深度較大, 在下半空間時(shí)由于陣列單元接收信號(hào)的幅相一致 性較差,造成系統(tǒng)的抗干擾能力變差。

        參考文獻(xiàn):

        [1]GuptaIJ,KsienskiAA.EffectofMutualCouplingonthe PerformanceofAdaptiveArray[J].IEEETransactionson AntennaandPropagation,1983,31(5):785-791.

        [2]LuY,YanY,YuanJ,etal.TheEffectofChannelMis matchandMutualCouplingonGPSAdaptiveAntennaAr ray[C]∥InternationalConferenceonRadar,2006:1-5.

        [3]LuiHS,HuiHT,LeongMS.ANoteontheMutual CouplingProblemsinTransmittingandReceivingAntenna Arrays[J].IEEEAntennasandPropagationMagazine, 2009,51(5):171-176.

        [4]YuanQ,ChenQ,SawayaK.PerformanceofAdaptiveAr rayAntennawithArbitraryGeometryinthePresenceof MutualCoupling[J].IEEETransactionsonAntennasand Propagation,2006,54(7):1991-1996.

        [5]AdveRS,SarkarTK.EliminationofEffectofMutual CouplinginanAdaptiveNullingSystemWithaLookDi rectionConstraint[C]∥AntennasandPropagationSociety InternationalSymposium,1996:1164-1166.

        [6]AdveRS,SarkarTK.CompensationfortheEffectsof MutualCouplingonDirectDataDomainAdaptiveAlgo rithms[J].IEEETransactionsonAntennasandPropaga tion,2000,48(1):86-94.

        [7]HuiHT.CompensatingfortheMutualCouplingEffectin DirectionFindingBasedonaNewCalculationMethodfor MutualImpedance[J].IEEEAntennasandWireless PropagationLetters,2003,2(1):26-29.

        [8]龔耀鬟.自適應(yīng)濾波—時(shí)域自適應(yīng)濾波和智能天線 [M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.endprint

        3 陣列方向圖零點(diǎn)形成效果評(píng)估

        在上述仿真結(jié)果基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了三角 形排布陣列陣中天線接收信號(hào)的幅相差異隨干擾 來(lái)波方向變化對(duì)陣列天線接收方向圖零點(diǎn)形成效 果的影響。這里采用自適應(yīng)調(diào)零天線零點(diǎn)形成算 法中常用的LMS算法[8],對(duì)在特定方向上存在干 擾時(shí)的陣列方向圖進(jìn)行優(yōu)化。使用優(yōu)化出的理想 單元天線方向圖的加權(quán)序列對(duì)實(shí)際的單元天線陣 中方向圖進(jìn)行加權(quán),就可得到合成的陣列方向圖。

        LMS算法是以輸出信號(hào)與參考信號(hào)間的均方 誤差最小為判定準(zhǔn)則,采用梯度下降方法更新權(quán) 值,通過(guò)循環(huán)疊加運(yùn)算,最終使權(quán)值收斂,誤差信 號(hào)的均方值達(dá)到最小。

        其輸入矢量為

        X(n)=[x1(n),x2(n),…,xN(n)]T

        加權(quán)矢量為

        W(n)=[w1(n),w2(n),…,wN(n)]T

        陣列加權(quán)后輸出為

        y(n)=WH(n)×X(n)

        均方誤差為

        ξ(n)=E[r2(n)]-2PTW(n)+WT(n)RxW(n)

        式中:r(n)為參考信號(hào),P為輸入矢量X(n)和參 考信號(hào)r(n)的互相關(guān)矢量,Rx是輸入矢量的自相 關(guān)矩陣。

        (2)e(n)=r(n)-y(n)

        (3)Δ(n)=X(n)e(n)

        (4)W(n+1)=W(n)+2μΔ(n)

        圖12給出了干擾波由φ=180°方向入射時(shí),合 成的陣列方向圖在干擾方向形成的零陷深度隨θ變 化的曲線。由圖可以看出,陣列天線形成的零陷深 度隨θ變大而變大。對(duì)于來(lái)自上半空間的干擾,陣 列天線形成的零點(diǎn)深度總體小于-20dB。當(dāng)干擾由 下半空間入射時(shí),系統(tǒng)的抗干擾能力變差,這是由 下半空間單元接收信號(hào)的幅相一致性較差造成的。

        圖13給出了干擾波由θ=40°方向入射時(shí),合 成的陣列方向圖在干擾方向形成的零陷深度隨方 位角φ變化的曲線。由圖可以看出,陣列天線形成 的零陷深度隨φ的變化呈現(xiàn)波動(dòng)的特點(diǎn),波動(dòng)幅度不大于10dB。

        4 結(jié) 論

        本文對(duì)正方形排布和三角形排布的兩種GPS 天線陣列進(jìn)行了仿真分析,對(duì)比了兩者的幅相一 致性。仿真結(jié)果表明,陣元間互耦對(duì)單元天線的接 收方向圖有著明顯的影響,三角形排布陣列的單 元天線接收信號(hào)的幅相一致性要優(yōu)于正方形排布 陣列,上半空間的幅相差異小于下半空間。進(jìn)一步 研究了三角形排布陣列陣中,天線接收信號(hào)的幅 相差異隨干擾來(lái)波方向變化對(duì)陣列天線接收方向 圖零點(diǎn)形成效果的影響,計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)干擾從 上半空間入射時(shí),陣列天線形成的零陷深度較大, 在下半空間時(shí)由于陣列單元接收信號(hào)的幅相一致 性較差,造成系統(tǒng)的抗干擾能力變差。

        參考文獻(xiàn):

        [1]GuptaIJ,KsienskiAA.EffectofMutualCouplingonthe PerformanceofAdaptiveArray[J].IEEETransactionson AntennaandPropagation,1983,31(5):785-791.

        [2]LuY,YanY,YuanJ,etal.TheEffectofChannelMis matchandMutualCouplingonGPSAdaptiveAntennaAr ray[C]∥InternationalConferenceonRadar,2006:1-5.

        [3]LuiHS,HuiHT,LeongMS.ANoteontheMutual CouplingProblemsinTransmittingandReceivingAntenna Arrays[J].IEEEAntennasandPropagationMagazine, 2009,51(5):171-176.

        [4]YuanQ,ChenQ,SawayaK.PerformanceofAdaptiveAr rayAntennawithArbitraryGeometryinthePresenceof MutualCoupling[J].IEEETransactionsonAntennasand Propagation,2006,54(7):1991-1996.

        [5]AdveRS,SarkarTK.EliminationofEffectofMutual CouplinginanAdaptiveNullingSystemWithaLookDi rectionConstraint[C]∥AntennasandPropagationSociety InternationalSymposium,1996:1164-1166.

        [6]AdveRS,SarkarTK.CompensationfortheEffectsof MutualCouplingonDirectDataDomainAdaptiveAlgo rithms[J].IEEETransactionsonAntennasandPropaga tion,2000,48(1):86-94.

        [7]HuiHT.CompensatingfortheMutualCouplingEffectin DirectionFindingBasedonaNewCalculationMethodfor MutualImpedance[J].IEEEAntennasandWireless PropagationLetters,2003,2(1):26-29.

        [8]龔耀鬟.自適應(yīng)濾波—時(shí)域自適應(yīng)濾波和智能天線 [M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.endprint

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