GNSS干擾測(cè)向天線設(shè)計(jì)

宋海濤，鄭曉冬，范廣偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第54研究所，石家莊 050081）

GNSS干擾測(cè)向天線設(shè)計(jì)

宋海濤，鄭曉冬，范廣偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第54研究所，石家莊 050081）

本文分析了衛(wèi)星導(dǎo)航干擾信號(hào)干涉儀測(cè)向基本原理，給出了寬帶和寬波束天線單元設(shè)計(jì)仿真，針對(duì)無(wú)模糊測(cè)向和降低互耦影響需求設(shè)計(jì)了7陣元均勻圓陣測(cè)向天線。

干擾測(cè)向；干涉儀；陣列天線；互耦

1 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)接收機(jī)口面功率較低，微弱的有意或無(wú)意干擾都可能對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)造成影響。在電磁環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，需要對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行區(qū)域可用性評(píng)估，其中，對(duì)導(dǎo)航干擾信號(hào)的定位定向尤為重要。

衛(wèi)星導(dǎo)航干擾信號(hào)測(cè)向與普通的無(wú)線電測(cè)向技術(shù)原理基本一致。無(wú)線電測(cè)向方法可分為干涉儀法測(cè)向、最小信號(hào)法測(cè)向、多普勒法測(cè)向、最大信號(hào)法測(cè)向、時(shí)差法測(cè)向等。其中，干涉儀法測(cè)向是應(yīng)用廣泛的測(cè)向方法，具有測(cè)向速度快、測(cè)向精度高等優(yōu)點(diǎn)。采用相關(guān)干涉儀方法，將陣列天線接收到的導(dǎo)航干擾信號(hào)進(jìn)行比相，經(jīng)過(guò)相關(guān)運(yùn)算和處理，從相關(guān)性最大的數(shù)據(jù)得出來(lái)波方向。天線陣列的性能影響測(cè)向準(zhǔn)確度，所以對(duì)天線陣列的研究是干擾測(cè)向技術(shù)研究的主要方向之一。

2 測(cè)向天線原理

2.1 干涉儀測(cè)向基本原理

干涉儀測(cè)向的實(shí)質(zhì)是利用無(wú)線電波在基線上的相位差來(lái)確定來(lái)波方向。以2元線陣為例介紹相位干涉儀測(cè)向原理。

圖1是2陣元線陣相位干涉儀測(cè)向原理圖，來(lái)波信號(hào)在A、B天線單元上產(chǎn)生相應(yīng)的相位差。

圖1 線陣干涉儀測(cè)向原理圖

設(shè)來(lái)波方向與天線法線夾角為θ，到達(dá)兩個(gè)天線單元的相位差為

2kπ+Ф=（2πDsinθ）/λ

當(dāng)基線長(zhǎng)度D＜λ/2時(shí)，此時(shí)模糊數(shù)k為0，對(duì)于任意方向入射波基線相位差在±180°以內(nèi)，測(cè)量值反映實(shí)際值；當(dāng)基線長(zhǎng)度D＞λ/2時(shí)，受到相位周期的限制，會(huì)產(chǎn)生相位差值的周期循環(huán)，形成相位模糊，選取適當(dāng)?shù)幕€長(zhǎng)度，以消除相位模糊。

2.2 圓陣干涉儀測(cè)向基本原理

衛(wèi)星導(dǎo)航干擾測(cè)向天線采用均勻圓陣，具備圓對(duì)稱(chēng)性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和良好的測(cè)向性能。圓形陣列天線指的是天線輻射單元沿著圓弧等間隔分布，以7陣元圓陣天線為例，布局如圖2所示。

圖2 圓陣天線基線圖

天線單元等距離位于A，B，C，D，E，F(xiàn)，G位置，每?jī)蓚€(gè)天線單元組成一條基線，共計(jì)21條基線。為避免孔徑過(guò)大造成的相位模糊，選擇基線相對(duì)較短的基線組合來(lái)進(jìn)行高頻信號(hào)相位比較和測(cè)向，同時(shí)，選擇短基線，在保證無(wú)相位模糊的情況下，可以增大天線單元間的距離，減少天線間互耦的影響，提高測(cè)向精度。即選擇AB，BC，CD，DE，EF，F(xiàn)G基線測(cè)量。將得到的多組測(cè)向結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理，可以確定惟一的測(cè)向值，消除多值。

3 測(cè)向天線單元設(shè)計(jì)

測(cè)向天線單元要求的頻率范圍為1200MHz-2500MHz中的導(dǎo)航接收頻段，帶寬較寬，同時(shí)要求半功率波束寬度120°。

根據(jù)技術(shù)條件對(duì)天線波束的要求，最合適的方案為對(duì)稱(chēng)振子加反射板，對(duì)稱(chēng)振子在方位面內(nèi)能提供全向的方向圖，而在垂直面內(nèi)提供8字形的方向圖，半功率波束寬度在60～90度范圍內(nèi)，為了產(chǎn)生定向輻射波束，需要在對(duì)稱(chēng)振子后面適當(dāng)位置加金屬反射板，反射板距振子距離一般為四分之一波長(zhǎng)，這樣反射板反射的電磁波再次到達(dá)振子表面是走過(guò)的路徑是二分之一波長(zhǎng)，相位是180度，考慮到電磁波被金屬反射板反射一次附加180度的相位差，這樣在振子表面天線向前輻射的電磁波與后向反射回的波正好同相位，增強(qiáng)了前向輻射功率，即前向增益增大，后向輻射得到抑制，適當(dāng)調(diào)整振子距反射板的距離和反射板尺寸，以得到我們所需的波束寬度要求。

對(duì)稱(chēng)振子的帶寬一般比較窄，為了得到寬頻帶特性，通常的技術(shù)措施是將振子臂加粗（對(duì)于平面的情況就是加寬）、改變振子臂的形狀，使其從饋電點(diǎn)向外逐漸加粗（加寬），呈錐型，或者呈菱形、橢圓形等各種變形?？梢源蟠笳箤拰?duì)稱(chēng)振子的工作帶寬。

我們選擇對(duì)稱(chēng)蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整振子長(zhǎng)度、蝴蝶結(jié)的錐角等參數(shù)，使其在要求的工作頻段內(nèi)滿足駐波比、方向圖、增益等指標(biāo)要求。

圖3 天線單元方向圖仿真結(jié)果

反射板距對(duì)稱(chēng)振子的距離是一定的數(shù)值，但是它無(wú)法對(duì)所有頻點(diǎn)滿足四分之一波長(zhǎng)的要求，例如2500MHz頻率是1250頻點(diǎn)的2倍，所以當(dāng)選取距離對(duì)于1250MHz來(lái)說(shuō)滿足四分之一波長(zhǎng)要求時(shí)，對(duì)于2500MHz來(lái)說(shuō)已經(jīng)是二分之一波長(zhǎng)了，此時(shí)，被反射板反射的電磁波與前向輻射波在振子表面處是反相的，即相位差180度，這樣在天線法向方向就會(huì)形成帶凹陷的方向圖，即法向方向增益減小而在其他方向增益增加，為了消除這種現(xiàn)象需要在反射板與振子間增加附加的小反射板，利用這兩個(gè)反射板的有機(jī)結(jié)合控制波束變形，達(dá)到寬頻帶的要求。圖3是1207MHz頻點(diǎn)和2492MHz頻點(diǎn)的天線單元方向圖仿真結(jié)果。

4 測(cè)向天線圓陣設(shè)計(jì)

天線陣采用圓陣設(shè)計(jì)，均勻圓陣干涉儀測(cè)向天線的陣元數(shù)量設(shè)計(jì)依據(jù)是數(shù)學(xué)意義上不存在測(cè)向模糊，理論已經(jīng)證明滿足設(shè)計(jì)條件的是5陣元以上的奇數(shù)陣元和8陣元以上的偶數(shù)陣元。綜合陣列孔徑、工作頻帶和相位模糊，本文采用7陣元設(shè)計(jì)。

天線陣列的整體尺寸和單元間距的設(shè)計(jì)依據(jù)頻率范圍、互耦影響以及相位模糊進(jìn)行。按照最低頻率1180MHz計(jì)算，天線單元間距為半波長(zhǎng)，則間距為(c?f)/2 =12.7cm。將已設(shè)計(jì)完成的天下單元在仿真軟件HFSS中建模。

表1 天線組陣仿真結(jié)果

Gain 1180MHz圖4 天線增益仿真結(jié)果

天線組陣后，通過(guò)仿真考核單個(gè)天線單元的導(dǎo)航頻點(diǎn)性能指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。

天線仿真圖如圖4所示。

5 問(wèn)題及改進(jìn)

由天線單元仿真和天線陣列仿真結(jié)果對(duì)比可知，獨(dú)立的天線單元波束寬度大于120°，而組陣后相同的天線單元波束寬度小于120°，主要是天線單元間互耦影響。

天線互耦問(wèn)題的主要解決途徑是增大天線單元間距和對(duì)天線單元采取抑制互耦措施。由于天線單元間距是按照半波長(zhǎng)設(shè)計(jì)，增大間距會(huì)產(chǎn)生相位模糊而且增大了整陣的尺寸，不符合設(shè)計(jì)要求。需要對(duì)天線單元設(shè)計(jì)采取抑制互耦措施。

本文主要對(duì)天線單元采取缺陷接地結(jié)構(gòu)抑制互耦，缺陷接地結(jié)構(gòu)與電磁帶隙結(jié)構(gòu)類(lèi)似，在天線單元接地面上蝕刻出單個(gè)或者少量的單元結(jié)構(gòu)來(lái)改變電路襯底材料的有效介電常數(shù)，從而改變電路的分布電感及電容。依據(jù)設(shè)計(jì)原理，在天線單元間增加正方形缺陷接地結(jié)構(gòu)，優(yōu)化仿真結(jié)果如表2所示。

表2 天線組陣優(yōu)化仿真結(jié)果

天線仿真圖如圖5所示。

Gain 1180MHz圖5 天線增益優(yōu)化仿真結(jié)果

采取缺陷接地結(jié)構(gòu)優(yōu)化天線陣列仿真，天線單元波束寬度增大，基本達(dá)到120°要求，抑制互耦效果明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航干擾信號(hào)特點(diǎn)，本文從相關(guān)干涉儀測(cè)向原理出發(fā)，提出了一種均勻7陣元圓陣測(cè)向天線的設(shè)計(jì)。按照寬帶和寬波束要求，給出了天線單元設(shè)計(jì)以及組陣設(shè)計(jì)仿真，通過(guò)仿真結(jié)果比較，在保證信號(hào)帶寬以及無(wú)相位模糊的前提下，采用缺陷接地結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了互耦影響，展寬了信號(hào)波束。設(shè)計(jì)的測(cè)向圓陣天線陣列性能指標(biāo)能夠應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航干擾信號(hào)測(cè)向。

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Design of GNSS Interference Direction Finding Antenna

Song Haitao, Zheng Xiaodong, Fan Guangwei
(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang, 050081)

The basic principle of satellite navigation interference signal interferometer direction finding is analyzed, broadband and wide beam antenna element design and simulation is given, aiming at the need of unambiguous direction fi nding and reducing mutual coupling, a 7 element uniform circular array direction fi nding antenna is designed.

Interference Direction Finding; interferometer; array antenna;mutual coupling

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.08.002

TN911文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）08-0005-04