基于定向天線陣辨向問題的工程應(yīng)用研究

羅冰 唐力強 葉李超

（中國電子科技集團公司第三十六研究所 浙江省嘉興市 314033）

1 引言

在實際的工程應(yīng)用中經(jīng)常將簡單的天線類型（偶極子或單極子）根據(jù)特定的方式進行配置，排列成具有瞄準波束窄，帶寬大等優(yōu)點的天線陣[1-2]。通過對單元天線信號的相位特性進行調(diào)節(jié)便可調(diào)整控制天線陣的波束形狀及波束指向，陣列孔徑越大則測向精度和分辨力越好[3]，但實際工程中，因陣元個數(shù)限制，為增大陣列孔徑，常采用稀疏布陣，常常伴隨著角度模糊，空域覆蓋不全等問題的出現(xiàn)[4]。

本文討論一種安裝有360 度旋轉(zhuǎn)云臺的4 元非均勻定向天線陣，在天線陣上增加一副全向天線進行雙通道比幅測向獲取目標(biāo)大致方位，引導(dǎo)云臺的轉(zhuǎn)動讓天線陣主瓣對準目標(biāo)區(qū)域進行干涉儀體制測向，從而獲得更高的探測精度和探測距離。

2 工作原理及天線陣組成

2.1 干涉儀測向原理

干涉儀測向是通過測量輻射信號到達接收天線時形成的相位差來確定信號的入射方位的[5-6]，兩個天線陣元A 和B，信號在遠距離外輻射，達到天線時近似平面波并以θ 角度入射。如圖1所示，由于信號入射到A 和B 兩陣元存在相位差可得：

圖1：干涉儀測向原理圖

式中：d 為天線A 陣元和B 陣元的距離，λ 為信號波長。當(dāng)測得相位差時，便可反算出

由式（1）可知當(dāng)AB 之間的距離d＜λ＜2 時，測向無模糊，當(dāng)d＞λ＞2 時會產(chǎn)生模糊需要解模糊，采用長短基線法來解模糊獲得更高精度，如圖2所示，陣元A 和B 之前距離為d1，A 和C 之間距離為d2，且d2/d1=m，d1＜λ/2，d2＜λ/2，由于d2＞λ/2，A 和C 之間的相位差可有如下公式表示[7]：

圖2：長短基線法原理

2.2 天線陣組成

天線陣采用非均勻定向天線線組陣，相比傳統(tǒng)的圓陣有著更高的增益和探測距離，同時利用底部安裝的云臺，可使天線陣360 度旋轉(zhuǎn)，讓定向天線陣主瓣對準目標(biāo)區(qū)域，滿足360 度測向要求。

天線陣組成示意圖如圖3所示。主要由四副定向天線和一副全向天線組成。

圖3：天線陣組成示意圖

四副高增益定向天線組成干涉儀體制測向天線陣，負責(zé)對主波束范圍內(nèi)的信號進行高精度測向，當(dāng)入射信號出現(xiàn)在定向天線陣非有效波束覆蓋區(qū)域內(nèi)時，利用天線5 與前四副天線做比幅測向來解模糊判斷信號大致入射方位，并引導(dǎo)云臺轉(zhuǎn)動讓高增益定向天線的主波束對準入射方向進行精確判斷。

3 實際應(yīng)用問題分析

當(dāng)設(shè)定幅度差值，通過對比全向天線與四路定向天線最大值可判斷信號是從反射板前方還是后方入射。但從圖4中實測數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)當(dāng)信號從反射板背面也就是180-210 度及330-360 度附近入射時，因兩者幅度差值恰好符合信號從前面輸入的情況，故容易誤判為前面入射。

圖4：170MHz/350MHz 實測方向圖

分析原因，圖3中可知嵌入在反射板的天線接收到信號的幅度值與安裝在反射板上前面四副天線接收幅度值的差異值，雖可有效解決前后模糊問題，但當(dāng)信號入射方向與反射板平行時，并不能有效分辨出從哪一側(cè)入射，系統(tǒng)容易誤判為正面入射，若信號判到主波束內(nèi)，則容易產(chǎn)生虛警。天線5 采用全向天線體制設(shè)置，但由于嵌入在反射板中間天線組陣后天線間的遮擋以及耦合導(dǎo)致不圓度較差，且無法在一個小頻段上使用同一個幅度門限值來劃分。

3.1 布局優(yōu)化

通過改變天線5 與前四路天線的布陣方式，將第五路天線按圖5安置。

圖5：天線5 上移安裝示意圖

通過組陣實測方向圖如圖6所示，將辨向天線5 安裝在天線陣頂部，由于整個結(jié)構(gòu)對其遮擋較少，其全方向幅度一致性較好，當(dāng)利用四路定向天線測得信號幅度最大值與天線5 測得信號幅度差來解兩測模糊時，能有效降低基線兩側(cè)20 度范圍內(nèi)的誤判率。通過改變天線陣的方式能很大程度上優(yōu)化在基線附近將反面誤判成正面入射。

圖6：170MHz/350MHz 實測方向圖

3.2 辨向策略優(yōu)化

通過布陣方式優(yōu)化一定程度上解決了模糊特別是兩側(cè)模糊問題，但仍有小概率存在某些方位的模糊。顯然只從幅度差值一個條件來判斷線陣主波束外的入射方位。從圖4和圖6可知前四路定向天線主波束范圍內(nèi)一致性較好，其他區(qū)域一致性較差，故可其接收到的最大值和最小值的差值（一致性），通過將幅度差值和一致性同時作為判決策略，并根據(jù)各個頻點設(shè)置一張幅度差值和一致性的門限表作為判決條件，例如表1所示。

表1：幅度差值和四路一致性差值門限表

根據(jù)門限表下發(fā)后，測試結(jié)果如圖7所示，橫坐標(biāo)表示信號輸入方位，縱坐標(biāo)表示測向結(jié)果。

圖7：測向結(jié)果（加辨向）

在線陣的有效區(qū)域內(nèi)（主波束）正面法線方向±45°內(nèi)，當(dāng)信號從主波束以外的區(qū)域入射時，沒有因辨向錯誤導(dǎo)致誤判進有效作用區(qū)域內(nèi)的虛警信號，即圖7中橫縱坐標(biāo)45-135 度范圍內(nèi)沒有混入其他點。

4 結(jié)論

在旋轉(zhuǎn)云臺上安裝定向天線陣，即可彌補元陣增益不高，探測距離不遠的缺點，又可彌補傳統(tǒng)定向天線陣不能360 度全覆蓋的短板，若將天線陣安裝到移動平臺，便大大增加了其靈活性。利用全向特性的辨向天線與定向天線進行比幅測向給出粗略的方位，引導(dǎo)云臺轉(zhuǎn)動使天線陣主波束對準目標(biāo)區(qū)域進行高精度干涉儀體制測向，采用全向天線安裝在正面上方作為辨向天線，運用比副和定向天線幅度一致性雙重辨向策略能有效避免因誤判導(dǎo)致的信號誤認為在波束有效區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的虛警現(xiàn)象。在工程應(yīng)用中具有一定的指導(dǎo)意義。