方如 劉玉龍 何紹林 李東超

（1. 中國電波傳播研究所，青島 266107；2. 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266107）

引 言

魚骨天線是一種寬帶行波天線，具有方向性強(qiáng)、副瓣電平低的優(yōu)點(diǎn)，在中遠(yuǎn)距離通信中有廣泛的應(yīng)用[1-3]. 但在低頻段，魚骨天線的方向性增益偏低，同時(shí)存在交叉極化問題[4]，并且不存在固定不變的相位中心.

為提高天線的方向性增益，通常采用陣列波束合成的方法. 對于短波定向天線，應(yīng)用較多的陣列形式有線形陣和扇形陣. 線形陣中來波極化對陣中各單元有相同的影響，目前對線形陣的研究較多[5-6]；而扇形陣因單元指向各不相同，各單元接收的極化也不同，研究難度較大，其實(shí)際的合成效果并不理想[7-8]. 短波魚骨天線扇形陣列接收天波信號時(shí)，不同單元存在相位差，傳統(tǒng)的補(bǔ)相方式以陣元上固定一點(diǎn)為相位中心，通過波程差的計(jì)算得到補(bǔ)相數(shù)值，而實(shí)際上魚骨天線不存在全空間可變的相位中心，為降低傳統(tǒng)補(bǔ)相引起的誤差，需尋找使合成效果更優(yōu)的補(bǔ)相方法.

另外，天波信號在傳輸過程中受電離層、障礙物的去極化影響[9-10]，到達(dá)接收天線時(shí)，其極化狀態(tài)往往變成了參數(shù)無法確定的橢圓極化波. 橢圓極化波可由一對正交極化波以不同的幅度比和相位差合成，其中與接收天線極化方向相同的分量為主極化波，與接收天線極化方向正交的分量為交叉極化波. 在短波低頻段，接收點(diǎn)水平和垂直兩種極化場的相關(guān)性很低，主極化和交叉極化來波衰減之間的相關(guān)系數(shù)有0.09～0.5的波動，導(dǎo)致接收電壓的隨機(jī)擾動，帶來相位信息的不確定性. 對于扇形陣列，各單元取向不同，天波信號中的交叉極化場使單元接收信號的幅度和相位均產(chǎn)生差異. 因此，本文利用FEKO電磁仿真軟件仿真魚骨天線接收陣列模型，模擬接收不同極化的來波信號，研究不同極化來波時(shí)，接收陣列的波束合成性能，分析來波極化對波束合成的影響規(guī)律，探索更好的波束合成方法，對改善扇形陣列波束合成系統(tǒng)性能具有重要的意義.

1 魚骨天線特性分析

魚骨天線是短波波段常用的一種天線，具有方向性強(qiáng)、頻帶寬、副瓣電平低的特點(diǎn)，但在低頻段，魚骨天線的方向性增益偏低，而且存在交叉極化問題，此外根據(jù)已有研究[11]，魚骨天線不存在固定不變的相位中心，相位中心與方位和來波等因素有關(guān).

仿真中，魚骨天線水平架設(shè)，由28個(gè)陣子組成，架高15 m，全長120 m，設(shè)置大地的相對介電常數(shù)ε=10，導(dǎo)電率σ=0.01. 仿真結(jié)果分析如下.

魚骨天線在低頻段的方向性增益偏低，如圖1所示，2 MHz時(shí)魚骨天線在方位面的最大方向性增益為10.2 dB，5 MHz時(shí)最大方向性增益為14.5 dB.在中遠(yuǎn)距離通信中，低頻段魚骨天線的方向性增益滿足不了實(shí)際的需求，為得到更高的方向性增益，通常采用陣列波束合成的方法，本文即是將魚骨天線排成扇形陣列展開研究.

圖1 2 MHz和5 MHz魚骨天線的方向性增益Fig. 1 The directivity gain of fishbone antenna at 2 MHz and 5 MHz

圖2 魚骨天線主極化和交叉極化的歸一化場強(qiáng)值Fig. 2 Normalized intensity of main and cross polarization of fishbone antenna

另外，在水平極化魚骨天線系統(tǒng)中，除了接收主極化的水平極化場強(qiáng)之外，還將接收交叉極化的垂直極化場強(qiáng)，影響系統(tǒng)的性能. 魚骨天線在低頻段交叉極化水平較大，如圖2所示為單元魚骨天線分別在2 MHz、5 MHz的最大波束仰角方向主極化和交叉極化的歸一化場強(qiáng)值，可以看出魚骨天線在最大輻射方向的方位面上，主極化分量最大，交叉極化分量最??；隨著頻率升高，主波束變窄，交叉極化幅度降低[12]，魚骨天線對交叉極化的抑制能力增強(qiáng). 根據(jù)互易定理，在同一頻率、不同極化角來波下，魚骨天線合成的主波束的交叉極化水平相對圖2中的交叉極化水平只會有增無減.

此外，魚骨天線在低頻段不存在固定不變的相位中心，如圖3所示為2 MHz和5 MHz時(shí)魚骨天線在方位面的電場幅度和電場相位，在天線輻射電場主波束范圍內(nèi)，電場相位沿輻射方向?qū)ΨQ分布，且有較大波動，同樣在仰角方向魚骨天線仍不存在穩(wěn)定的相位值. 因此在魚骨陣列研究中，若默認(rèn)天線相位中心為固定一點(diǎn)，必定會引起較大誤差.

圖3 魚骨天線的電場幅度和電場相位Fig. 3 Electric field amplitude and phase of fishbone antenna

2 理論仿真分析

2.1 理論模型

利用FEKO軟件建立魚骨天線接收陣列模型，如圖4所示為十一元魚骨天線接收陣列模型，中間單元沿Y軸放置，單元夾角為10°，陣列內(nèi)半徑為80 m，合成方位面90°方向的波束. 下文中出現(xiàn)的增益值均歸一到仿真結(jié)果中得到的最大值.

圖4 十一元魚骨天線接收陣模型Fig. 4 Eleven elements array model of fish-bone antenna

仿真中，設(shè)置極化來波為線極化波，以水平極化為參考，若來波極化傾角為β（下文簡稱極化角），分別設(shè)置β為0°、±45°和±70°.

2.2 陣列單元數(shù)對合成波束增益的影響

陣列波束合成時(shí)，合適的單元數(shù)可以提高單元利用效率并使合成波束具有良好性能. 陣列在2 MHz、5 MHz的最大波束仰角方向及常用的20°仰角方向合成波束，以奇數(shù)單元為參考，方位面90°方向上波束的歸一化增益如圖5所示. 可以看出，不同極化角來波下，天線陣列的合成波束增益隨單元數(shù)的變化趨勢一致，單元數(shù)越多，增益增加得越緩慢，因此實(shí)際合成波束時(shí)應(yīng)選用合適的單元數(shù). 另外，來波極化角越大時(shí)，曲線的曲率越大，在相同條件下，來波極化角越大，陣列選擇合成波束的單元數(shù)可能會越少. 例如，在5 MHz、25°來波仰角情況下，來波極化角為0°時(shí)，五單元之后陣列的增益增加得相對緩慢；來波極化為70°時(shí)，三單元之后陣列增益的增加速度已經(jīng)降低很多.

圖5 方位面90°方向的歸一化增益Fig. 5 Normalized gain of phi=90°

2.3 補(bǔ)相方式對陣列合成波束的影響

在陣列波束合成系統(tǒng)中，可以通過對陣列單元補(bǔ)償相位使合成波束達(dá)到較大增益，本節(jié)研究了對陣列合成波束的指向和增益有不同影響的兩種補(bǔ)相方式：按主極化補(bǔ)相和按來波極化角補(bǔ)相.按主極化補(bǔ)相是根據(jù)陣元的幾何關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)相，與陣元相位中心的位置相關(guān)；按來波極化角補(bǔ)相是通過仿真掃描根據(jù)來波極化角度的不同而補(bǔ)償不同的相位.

對于任意天線其遠(yuǎn)區(qū)輻射場的某個(gè)分量可表示為

設(shè)r為觀察點(diǎn)位置矢量，其單位矢量記為，r′為天線上或附近的一個(gè)參考點(diǎn)，則

令

若存在r′，使Ψ(θ,φ) 為常數(shù)，則r′就是天線的相位中心.

按主極化補(bǔ)相是一種傳統(tǒng)的補(bǔ)相方式，此方法默認(rèn)陣元上固定一點(diǎn)為相位中心，通過計(jì)算波程差得到補(bǔ)相數(shù)值. 例如，本文以扇形陣列的圓心為相位參考點(diǎn)，則對陣元相位補(bǔ)償?shù)臄?shù)值為

式中：r為扇形陣列內(nèi)半徑；λ為來波信號波長；θi為魚骨陣元與中間單元的夾角，模型中魚骨陣列的陣元夾角為10°，則θ0= 0°, θ1= 10°, θ2= 20°,···. 由式(4)可知，當(dāng)陣列形式不變時(shí)，按主極化補(bǔ)相的數(shù)值只與來波頻率有關(guān).

但實(shí)際上，魚骨天線不存在全空間可變的相位中心，在不同來波極化角條件下，魚骨天線的相位中心并不是固定一點(diǎn)，若根據(jù)主極化補(bǔ)相，則必定會引起誤差；另外，由于來波極化角和來波仰角不同，天線接收到的交叉極化場變復(fù)雜，導(dǎo)致接收單元的幅度和相位響應(yīng)差異，采用只根據(jù)頻率計(jì)算的按主極化補(bǔ)相數(shù)值會存在更大的誤差. 文中提出的按來波極化補(bǔ)相方式，目前是通過仿真掃描得到使陣列合成最大增益波束時(shí)各陣列的補(bǔ)相值，雖然該方法不能做到零誤差，但在很大程度上降低了補(bǔ)相誤差，從而得到更好的波束合成性能.

陣列合成波束的指向如圖6所示. 在主極化補(bǔ)相條件下，來波極化角為0°時(shí)，陣列合成波束的指向始終是90°；存在極化角時(shí)，隨著單元數(shù)變化，陣列合成波束的指向變動較大，分布在90°兩側(cè).

圖6 按主極化補(bǔ)相時(shí)合成波束指向Fig. 6 The direction of beam according to main polarization phase complement

若按來波極化角補(bǔ)相，如圖7所示，分別為來波極化角45°和70°時(shí)補(bǔ)相的結(jié)果. 由圖可知，根據(jù)來波極化角補(bǔ)相時(shí)，陣列合成波束的指向穩(wěn)定在90°的一側(cè).

圖7 按來波極化補(bǔ)相時(shí)合成波束指向Fig. 7 The direction of beam according to phase compensation depending on incident wave polarization

由圖6及圖7可知，按主極化補(bǔ)相和按來波極化補(bǔ)相表現(xiàn)出不同的波束合成性能，實(shí)際中根據(jù)對陣列合成波束指向的不同需求，選用不同的補(bǔ)相方式. 當(dāng)要求陣列合成波束覆蓋較大區(qū)域時(shí)，應(yīng)對陣列單元按主極化補(bǔ)相；當(dāng)要求波束固定指向某一點(diǎn)或覆蓋較小區(qū)域時(shí)，可以選用按來波極化補(bǔ)相.

為比較兩種補(bǔ)相方式下陣列合成波束的增益隨來波極化角變化的規(guī)律，構(gòu)造了極化域方向圖，如圖8所示. 在頻率2 MHz的最大仰角47°方向上，當(dāng)陣列分別按來波極化角±45°、±70°補(bǔ)相時(shí)，得到的陣列合成波束增益的規(guī)律與按主極化補(bǔ)相不同；在極化角較大的區(qū)域，按來波極化角補(bǔ)相的增益比按主極化補(bǔ)相最大增加了2 dB；在極化角較小的區(qū)域，按主極化補(bǔ)相的增益優(yōu)于按來波極化角補(bǔ)相. 在2 MHz及常用的20°仰角方向，可以得到同樣的結(jié)論. 所以，為使陣列得到較大的波束合成增益，當(dāng)來波信號極化角較大時(shí)，按來波極化補(bǔ)相會較好；當(dāng)來波信號極化角較小時(shí)，按主極化補(bǔ)相會較好. 但在實(shí)地測試時(shí)，應(yīng)根據(jù)地理位置不同采用不同的補(bǔ)相方式，在地磁高緯度，天波信號極化角較大，應(yīng)采用高極化角(π /6≤|β|≤π/2)下的相位對陣列補(bǔ)相；在地磁低緯度，天波信號極化角較小，可采用按主極化補(bǔ)相.

圖8 極化域的合成方向圖Fig. 8 Formation pattern of polarization domain

3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

我們利用國內(nèi)某接收點(diǎn)進(jìn)行了短波低頻來波極化實(shí)驗(yàn)，采用16副水平極化魚骨天線同時(shí)連接多信道接收機(jī)，對同一信號進(jìn)行接收[13]. 實(shí)測來波為某授時(shí)中心2.5 MHz信號，相對接收點(diǎn)的方位為28.7°，大圓距離1240 km，實(shí)測接收到兩組連續(xù)16副天線單元在陣中對來波的幅度響應(yīng)值，每組數(shù)據(jù)為5 s內(nèi)連續(xù)測128次的結(jié)果，兩組測試間隔23 min，合成波束時(shí)選擇每組測試結(jié)果的連續(xù)20次樣本. 下文結(jié)果的合成波束幅度值均歸一到同一個(gè)值.

對單元接收到的響應(yīng)幅度按主極化補(bǔ)相，兩組數(shù)據(jù)的歸一化合成波束幅度隨方位角的變化曲線如圖9所示，在28.7°方向，第一組數(shù)據(jù)合成波束幅度最大歸一化值為0.727，第二組數(shù)據(jù)合成波束幅度最大歸一化值為0.359.

改變補(bǔ)相方式，對第一組數(shù)據(jù)分別采用根據(jù)來波極化45°補(bǔ)相和來波極化70°補(bǔ)相時(shí)，陣列合成波束幅度的歸一化值隨方位角的變化曲線如圖10所示. 可以看出：在28.7°方向，按來波極化45°補(bǔ)相時(shí)，實(shí)測數(shù)據(jù)合成波束幅度最大歸一化值為0.793，比主極化補(bǔ)相時(shí)提高了0.377 dB；按來波極化70°補(bǔ)相時(shí)，實(shí)測數(shù)據(jù)合成波束幅度最大歸一化值為0.780，比主極化補(bǔ)相時(shí)提高了0.303 dB. 這兩種補(bǔ)相條件下，實(shí)測數(shù)據(jù)的合成波束幅度均優(yōu)于按主極化補(bǔ)相的波束幅度. 同樣，對第二組數(shù)據(jù)根據(jù)來波極化45°補(bǔ)相時(shí)，合成的波束幅度比按主極化補(bǔ)相時(shí)也有提高. 因此，若要得到較大的合成波束幅度，按主極化補(bǔ)相方式并不適用于所有來波，當(dāng)來波極化角較大時(shí)，根據(jù)來波極化角補(bǔ)相能得到更好的合成效果.

圖9 按主極化補(bǔ)相時(shí)的歸一化合成波束幅度Fig. 9 The normalization amplitude of beam according to main polarization phase complement

圖10 根據(jù)來波極化45°和70°補(bǔ)相時(shí)的歸一化合成波束幅度Fig. 10 The normalization amplitude of beam according to phase compensation depending on incident waves polarization of β=45° and β=70°

4 結(jié) 論

本文針對短波魚骨扇形陣列接收天波信號，研究了來波極化對波束合成的影響規(guī)律，總結(jié)出來波極化角在一定程度上會降低陣列波束合成時(shí)選擇的單元數(shù)，提出了一種根據(jù)來波極化角補(bǔ)償相位的方式，使陣列合成波束增益最大可提升2 dB且波束指向更穩(wěn)定. 首次繪出魚骨陣列在極化域的合成方向圖，為研究不同極化來波信號時(shí)陣列合成波束提供了參考，并對實(shí)際工程化應(yīng)用提供了理論依據(jù).

目前魚骨陣列的波束合成效果并不理想，下一步將研究如何降低魚骨天線的交叉極化水平，減小交叉極化場對單元幅度和相位的影響，并研究對陣元自適應(yīng)補(bǔ)相的相位補(bǔ)償算法，提升魚骨陣列波束合成系統(tǒng)性能.