侯文棟，黃開木，馮晨峰，劉志武，聶海江，吳克釗

（1.中國航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京 210007；2.中國人民解放軍93126 部隊(duì)，北京 100875）

0 引言

測(cè)向一直是雷達(dá)情報(bào)偵察設(shè)備的一項(xiàng)重要用途。測(cè)向接收機(jī)所要完成的是快速、準(zhǔn)確地測(cè)量空間輻射源的方向。和/差波束測(cè)角作為測(cè)向體制中的一種，有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。其本質(zhì)為在一個(gè)角平面范圍內(nèi)形成2 個(gè)部分重疊的方向性函數(shù)相同的波束，將2 個(gè)波束進(jìn)行和/差處理得到和波束與差波束，進(jìn)一步利用這2 個(gè)波束進(jìn)行處理可以提高系統(tǒng)性能。

對(duì)于單脈沖信號(hào)，差信號(hào)去掉相位信息，保留幅度信息，利用和波束減去差波束得到的波束，在不增大雷達(dá)天線尺寸的條件下采用和差波瓣壓縮技術(shù)來實(shí)現(xiàn)測(cè)向。但傳統(tǒng)的和差波束校準(zhǔn)時(shí)僅僅利用了幅度信息而導(dǎo)致測(cè)向精度與系統(tǒng)瞬時(shí)帶寬緊密相關(guān)，在寬帶電子偵察系統(tǒng)中應(yīng)用受到限制。針對(duì)這一難點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)仿真了四種不同的和差波束天線并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，通過幅度相位聯(lián)合校準(zhǔn)機(jī)制，擴(kuò)展了帶寬和測(cè)向精度，為該體制天線在通用電子偵察中的應(yīng)用指明了方向。

1 和差波束測(cè)向的理論基礎(chǔ)

和差波束天線最典型的是等角螺旋天線，具有其它各種類和差天線的基礎(chǔ)特點(diǎn)。等角螺旋天線的臂是由2 條螺旋線構(gòu)成，它們?cè)跇O坐標(biāo)系中的方程為：

式中，、分別為臂的外邊緣及內(nèi)邊緣螺旋線矢徑，為臂寬角，為起始極徑，為極角，為螺旋率，表示螺旋線纏繞的緊密程度，越小，螺旋線纏繞的越緊密。當(dāng)相鄰兩臂之間的空隙與臂的形狀完全相同時(shí)，天線為自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。

等角螺旋天線作為接收天線時(shí)，假設(shè)天線放在平面上，以(,)角度入射的平面波傳播方向的單位矢量可表示為：

入射的平面波可表示為：

式中，和分別為入射波的幅度和極化方向，→為觀察點(diǎn)的位置矢量，=2π/，和分別為入射波在自由空間中的波數(shù)和波長。

天線第條臂終端感應(yīng)的開路電壓為V，端口電壓經(jīng)過模式形成器形成的階模的模式輸出電壓可以表示為：

式中，W=e，為天線端口總數(shù)。

當(dāng)入射波為極化時(shí)，階模模式電壓輸出為：

當(dāng)入射波為極化時(shí)，階模模式電壓輸出為：

式中，J(sin)和J(sin))是第一類貝塞爾函數(shù)，ψ是一個(gè)只與螺旋線的幾何形狀有關(guān)的相位因子。

可以看出，模式形成器輸出的模式電壓的幅度與有關(guān)而與無關(guān)，相位與ψ、有關(guān)而與無關(guān)，而ψ可由入射波在=0 時(shí)得到的模式電壓的相位進(jìn)行補(bǔ)償消除，因此經(jīng)相位補(bǔ)償后階模的模式電壓相位等于。因此可以通過各階模模式電壓的幅值比來確定角；通過各階模經(jīng)相位補(bǔ)償后的模式電壓相位來確定，這就是比幅比相的理論基礎(chǔ)。

2 四種和差波束天線的設(shè)計(jì)及仿真分析

本節(jié)考慮了四種和差波束天線，天線作為接收天線放在平面上。四種天線的種類和規(guī)格如圖1所示，分別為：正弦天線（直徑96 mm，厚度40 mm）；正弦天線（直徑140 mm，厚度45 mm）；對(duì)數(shù)周期天線（160 mm×100 mm×87.5 mm）；阿基米德螺線天線（直徑74 mm，厚度17 mm）。

圖1 四種天線的種類和規(guī)格設(shè)計(jì)圖

采用基于矩量法(MoM)的電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件FEK0 對(duì)上述模型進(jìn)行數(shù)值仿真，由于該軟件無法測(cè)量天線端口的開路電壓，因此仿真中開路電壓測(cè)量采用與實(shí)際天線開路電壓測(cè)量相似的方法，在各天線端口與地之間各接一個(gè)阻值遠(yuǎn)大于天線內(nèi)阻的負(fù)載，測(cè)量該負(fù)載上的電流，該電流與負(fù)載阻值的乘積近似為端口開路電壓。在設(shè)計(jì)時(shí)，把天線作為輻射天線時(shí)測(cè)得各臂阻抗不超過200 Ω，在作接收天線時(shí)負(fù)載電阻取為10 MΩ，遠(yuǎn)大于天線內(nèi)阻。

經(jīng)過仿真分析，得出四種天線的和差波束，其3D方向圖如圖2 所示,其和差波束增益和相位隨角度變化圖如圖3 所示。

圖2 四種天線的和差波束3D 方向圖（4 GHz）

圖3 四種天線的和差波束增益和相位隨角度變化圖（4 GHz）

在偏離正前方角度±60°范圍內(nèi)，對(duì)上述四種天線和差波束差的增益差求導(dǎo)，并對(duì)導(dǎo)數(shù)的絕對(duì)值求均值，可得表1。

表1 增益差曲線導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值的均值 dB/（°）

在偏離正前方角度±20°范圍內(nèi)，對(duì)上述四種天線和差波束差的增益差求導(dǎo)，導(dǎo)數(shù)的絕對(duì)值的最小值如表2 所示。

表2 增益差曲線導(dǎo)數(shù)絕對(duì)值的最小值 dB/（°）

從表中數(shù)據(jù)可知，阿基米德螺線天線在偏離正前方角度±60°范圍內(nèi)，各頻點(diǎn)的斜率絕對(duì)值的均值最大，在垂直極化天線中，直徑96 mm 的正弦天線斜率絕對(duì)值的均值較大，對(duì)數(shù)周期天線在各頻點(diǎn)差異較大。在偏離正前方角度±20°范圍內(nèi)，各頻點(diǎn)的斜率絕對(duì)值的最小值較大，2 款正弦天線的斜率絕對(duì)值最小值相近，對(duì)數(shù)周期天線在各頻點(diǎn)差異較大。故阿基米德螺線天線的角度分辨率較高，但是阿基米德螺線天線是圓極化做和差波束，其和差網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜。

3 微波暗室測(cè)試及結(jié)果分析

從上節(jié)仿真分析中得知，四種天線結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，本節(jié)特意選取第三種對(duì)數(shù)周期天線（160 mm×100 mm×87.5 mm）作為樣例，并在微波暗室中進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其幅度差和相位差隨角度變化如圖4 所示。

由圖4 可見，實(shí)際天線的幅度差和相位差和理論相比，在邊緣兩側(cè)±（50°～30°）區(qū)間變化趨勢(shì)變得平緩，可以預(yù)見，在此區(qū)間的測(cè)向誤差會(huì)變得很差。

圖4 對(duì)數(shù)周期天線樣機(jī)和差波束特性

圖5 為測(cè)向角度隨入射角度變化圖，采用的校準(zhǔn)方法是將幅度差和相位差一起校準(zhǔn)。從結(jié)果來看，校準(zhǔn)有效剔除了在個(gè)別點(diǎn)的奇異值，提高了測(cè)向精度。

圖5 測(cè)向角度隨入射角變化圖

4 結(jié)束語

相比于干涉儀體制，差波束測(cè)角技術(shù)具有天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備通道數(shù)少、成本低、平臺(tái)試裝性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在電子偵察尤其是反輻射導(dǎo)引頭方面得到了應(yīng)用。但傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，和差波束測(cè)角本質(zhì)上仍屬于比幅測(cè)向體制，測(cè)向精度低，限制了其在通用電子偵察要求測(cè)向精度高的場(chǎng)合的應(yīng)用。本文通過理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化了和差波束校準(zhǔn)方法，提高了其測(cè)向精度，有望將其應(yīng)用于通用電子偵察中?！?/p>