彈載北斗抗干擾天線系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

李濤

摘要：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)新型全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該導(dǎo)航系統(tǒng)具有針對(duì)性，主要以軍事領(lǐng)域發(fā)展為主，致力于提高安全性，高精準(zhǔn)性軍事活動(dòng)。天線系統(tǒng)抗干擾性可有效避免衛(wèi)星導(dǎo)航過(guò)程中受到信號(hào)接收差電磁干擾等問(wèn)題，因此針對(duì)彈載北斗抗干擾天線需要進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：彈載北斗;抗干擾天線;系統(tǒng)分析;設(shè)計(jì)

1.抗干擾天線原理

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中融入DSSS直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，這種情況使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身具備較高的抗干擾能力，除此之外，更加具備超強(qiáng)的隱匿性和涉密性，利用該技術(shù)能夠針對(duì)接收到的信號(hào)在頻域上進(jìn)行展寬，降低功率頻譜度進(jìn)而將接收的信號(hào)進(jìn)行隱藏。將接收的信號(hào)頻率展開(kāi)后利用擴(kuò)頻技術(shù)能夠進(jìn)行有效的增益處理，在干擾信號(hào)能力強(qiáng)的情況下無(wú)法發(fā)揮其抗干擾能力，因此需利用數(shù)字信號(hào)處理強(qiáng)化其抗干擾能力。通常情況利用抑制濾波器可起到抗干擾能力提高效果，而且還能夠?qū)πl(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)整體功能進(jìn)行改善，減少誤碼率[1]。

其主要抗干擾過(guò)程體現(xiàn)在針對(duì)混頻信號(hào)進(jìn)行分離，獲得有用信號(hào)，然后對(duì)其他干擾信號(hào)產(chǎn)生抑制。有用信號(hào)以及其他信號(hào)特征差異越大，分離相對(duì)簡(jiǎn)單。而差異主要體現(xiàn)在空間域、頻域和時(shí)域，因此針對(duì)抗干擾處理可以添加時(shí)域?yàn)V波、空間域以及頻率濾波等自算法。（1）寬帶干擾抑制算法。利用空時(shí)自適應(yīng)處理能夠在時(shí)間和空間二維度中進(jìn)行抑制干擾，其原理主要體現(xiàn)在針對(duì)干擾信號(hào)和有用信號(hào)進(jìn)行空間角獨(dú)立，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)濾波，其中空時(shí)自適應(yīng)算法包含兩部分內(nèi)容，第1部分為約束，第2部分為無(wú)約束，相較于后者，前者處理更加簡(jiǎn)單且精準(zhǔn)度高。（2）頻域窄帶干擾抑制算法。該算法可以實(shí)現(xiàn)窄帶干擾抑制，利用IDFI進(jìn)行處理并且實(shí)現(xiàn)定位。

2.整體方案系統(tǒng)集成

2.1需求分析

彈載北斗接收機(jī)天線需要具備較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在極端復(fù)雜以及特殊的環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，這種情況需要其既需要適應(yīng)電磁環(huán)境的復(fù)雜性同時(shí)還需要對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行適應(yīng)，只有這樣才能充分實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化軍事的精準(zhǔn)打擊，保證航空武器制導(dǎo)精準(zhǔn)。在整個(gè)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分結(jié)合彈載這一特殊情況，彈載具有高速度，高加速度以及高加加速度，在波束接收過(guò)程中，需要其具備極強(qiáng)的自適應(yīng)能力，但由于其彈上空間具有限制性，這種情況在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要控制陣元數(shù)目，而且不得不考慮在實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境中產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要保證其天線具有較寬的抗干擾能力，只有這樣才能充分保障彈載北斗接收機(jī)天線的抗干擾需求。

2.2天線陣子設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中天線振子設(shè)計(jì)主要利用微帶天線形式，該種設(shè)計(jì)方式具有重量輕，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。微帶天線工作頻率受到三個(gè)因素影響，第1部分電介質(zhì)基板的介電常數(shù)，第2部分效率，第3部分基板厚度和輻射面面積，關(guān)系如下。

（1）在進(jìn)行基板電介質(zhì)材料選擇過(guò)程中，介電常數(shù)以及厚度參數(shù)與微帶天線工作頻率成正比;（2）針對(duì)其頻帶寬，如果系統(tǒng)匹配50Ω這種情況會(huì)造成介電常數(shù)與頻帶寬成反比。（3）通常情況下，微帶天線的半功率寬度多為幾十度，因此在實(shí)際需求情況下需要利用微帶天線設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高半功率寬，只有充分保證微貸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)合理性，才能充分滿足天線辦波束寬度需求。

這也是提高天線抗干擾性能的重要體現(xiàn)，針對(duì)天線抗干擾能力的提升還需要注重空間檢測(cè)能力以及響應(yīng)能力。在進(jìn)行自適應(yīng)天線系統(tǒng)工作過(guò)程中可以了解增加振元個(gè)數(shù)可有效提高信干燥比，而且隨著單元數(shù)的逐漸增加，天線的自由度逐漸變大，與此同時(shí)有效口徑變大。因此，想要進(jìn)一步提高天線的抗干擾性，可以通過(guò)增加振元數(shù)目進(jìn)行操作。但彈載過(guò)程中具備高清動(dòng)態(tài)環(huán)境，在天線抗干擾設(shè)計(jì)過(guò)程中必須做到能夠有效適應(yīng)這種情況并且減少對(duì)設(shè)備操縱性能以及氣動(dòng)性能的影響[2]。

增加陣元數(shù)目會(huì)增加振復(fù)雜性，因此這種情況會(huì)增加設(shè)計(jì)成本，設(shè)計(jì)體積以及設(shè)計(jì)質(zhì)量。以自適應(yīng)算法為切入點(diǎn)進(jìn)行分析，盡管自適應(yīng)算法的性能不受振元數(shù)的增加而增加，但會(huì)造成主瓣寬度逐漸變窄，結(jié)合彈載需求，因此在接收機(jī)天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要控制其尺寸。在綜合考慮下抗干擾天線系統(tǒng)衛(wèi)星接收陣列選擇4*4較為合理。

2.3天線組成單元設(shè)計(jì)

北斗抗干擾天線的硬件組成需要由以下幾部分（1）天線陣;（2）微波前端及調(diào)制模塊;（3）自適應(yīng)信號(hào)處理模塊;（4）接口模塊。在單個(gè)振元設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮以下指標(biāo)：a工作載頻（B1），目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)載頻為1561Mhz;b采用左旋圓極化的振元極化方式;c控制無(wú)源天線仰角≤10°，增益狀態(tài)下≥-6db，控制軸線增益≥2db，天線駐波比值≤2。結(jié)合陣列形式，本次設(shè)計(jì)主要利用同軸線饋電，于接地板安裝同軸插座，將導(dǎo)體從介質(zhì)基片中穿過(guò)，與輻射貼片進(jìn)行連接，這樣能夠針對(duì)饋電位置進(jìn)行準(zhǔn)確選擇，從而形成最佳匹配。

針對(duì)微帶天線的設(shè)計(jì)，首先需要針對(duì)介質(zhì)基片進(jìn)行選擇，我們已知矩形微帶天線介電常數(shù)（εr），工作頻率（f），通過(guò)這兩個(gè)參數(shù)能夠獲得輻射貼片寬度（ω）。計(jì)算方法：ω=，其中c代表光速;輻射貼片長(zhǎng)度通?？刂圃趯?dǎo)波長(zhǎng)的1/2，在設(shè)計(jì)過(guò)程中出于對(duì)邊緣縮短考慮，其實(shí)際輻射單元長(zhǎng)度L=，公式中為有效介電常數(shù)，為等效輻射縫隙長(zhǎng)度。如果饋電電位和輻射貼片位置形成對(duì)角，這種情況可以保證電場(chǎng)方向進(jìn)行垂直。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，控制輻射貼片處于正方形態(tài)，這種情況下輻射單元長(zhǎng)度無(wú)限接近輻射貼片寬度，這種情況下可形成圓極化微帶天線。在經(jīng)過(guò)實(shí)際計(jì)算過(guò)程中50Ω饋電電位如果與輻射貼片形成對(duì)角線，其兩者頂點(diǎn)距離在（0.35～0.39）d之間。將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)工作頻率進(jìn)行計(jì)算考慮，同時(shí)結(jié)合天線單元尺寸因素，介電常數(shù)以及厚度參數(shù)分別為4.4，1.6mm，可以計(jì)算出以下參數(shù)。Ω=58.48mm，=4.2，=0.74mm，L=45.55mm。

2.4信道單元設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中依據(jù)實(shí)際的技術(shù)需求將信道單元設(shè)計(jì)分為兩部分，第1部分為射頻前端，第2部分為變頻。在兩部分內(nèi)容設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行技術(shù)分配主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)。（1）射頻前端模塊設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注以下指標(biāo)。輸入信號(hào)，輸出信號(hào)，通道間隔離度，通道增益輸出，噪聲系數(shù)，帶外抑制，帶內(nèi)抑制，電源及功耗等，這些指標(biāo)均是射頻前端模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的內(nèi)容，同時(shí)需要進(jìn)行參數(shù)要求。（2）抗干擾接收機(jī)信道模塊作為重要模塊，對(duì)整個(gè)抗干擾性能起到?jīng)Q定性影響，如果幅相存在差異對(duì)調(diào)零算法的調(diào)整深度將會(huì)造成重要影響，同時(shí)對(duì)信號(hào)的接收也會(huì)造成影響，因此在射頻通道設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充做到細(xì)致，將北斗衛(wèi)星接收的信號(hào)進(jìn)行LNA處理，進(jìn)行介質(zhì)濾波器1變頻濾波，而后利用放大器1放大，再進(jìn)行介質(zhì)濾波器2濾波，放大器2，介質(zhì)濾波器3，放大器3進(jìn)行處理，最后信號(hào)輸出進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。（2）變頻模塊設(shè)計(jì)需要關(guān)注以下指標(biāo)。本振頻率，中頻寬帶以及中頻通道。變頻模塊其主要是在不失真的情況下將高射頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜕漕l信號(hào)，想要進(jìn)一步保證信號(hào)處理的有效性需要進(jìn)行一次變頻[3]。（3）信道模塊通常具有較多的信道數(shù)量，但是受到天線裝置的體積以及電磁等內(nèi)容影響易造成見(jiàn)多信道干擾，而且信道模塊功能消耗大，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分結(jié)合電磁兼容和功耗情況，文章在設(shè)計(jì)中堅(jiān)持了以下內(nèi)容。a利用屏蔽槽將所有通道進(jìn)行統(tǒng)一放置，以此防止各信道之間的相互干擾;b利用貼片安裝方法安裝器件，控制印制板厚度提高傳熱效果;c保證印制板接地設(shè)計(jì)，降低電磁干擾;d控制耐熱性差的元器件距離，做好隔熱裝置。

2.5信號(hào)處理器硬件設(shè)計(jì)

該部分設(shè)計(jì)主要是為了滿足中頻信號(hào)數(shù)字化采樣處理同時(shí)進(jìn)行空時(shí)自適應(yīng)處理算法，提高信號(hào)抗干擾能力，保證信號(hào)接收完整。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)A/D器件進(jìn)行功能選擇。速率控制在8MHz，采樣速率控制16MHz，并且需要保證極高分辨率，易14位以上A/D器件為主;針對(duì)接口特征，需要做到A/D器件能夠正常和變頻器連接，除此之外還需要綜合考慮編碼方法以及電平因素，在本次設(shè)計(jì)中A/D選擇79db信噪比，且采樣速率為130Msample/s的AD9460，其功耗為1.4W。

3自適應(yīng)處理算法設(shè)計(jì)

上述文章分析針對(duì)自適應(yīng)列陣天線在進(jìn)行抗干擾處理過(guò)程中，可以利用空域?yàn)V波技術(shù)頻率濾波技術(shù)以及時(shí)域?yàn)V波技術(shù)和空時(shí)自適應(yīng)濾波技術(shù)。寬帶干擾過(guò)程中時(shí)域?yàn)V波效果差，窄帶干擾中頻域?yàn)V波效果差，抗干擾自由度空域?yàn)V波效果不理想。而空時(shí)自適應(yīng)濾波是基于上述三種濾波方法進(jìn)行優(yōu)化形成，既能夠有效提高抗干擾自由度，同時(shí)還可以從整體上提高抗干擾能力。通過(guò)對(duì)空時(shí)自適應(yīng)濾波進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)針對(duì)空時(shí)抗干擾可以明顯提高對(duì)抗干擾數(shù)，能夠滿足窄帶干擾以及寬帶干擾需求，基于理論研究，其抗寬帶干擾3個(gè)改善因子≥40db。

結(jié)束語(yǔ)

文章主要是針對(duì)彈載北斗抗干擾天線系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，分析抗干擾天線原理，并且對(duì)天線陣子設(shè)計(jì)、天線組成單元設(shè)計(jì)、信號(hào)單元設(shè)計(jì)、信號(hào)處理器設(shè)計(jì)以及自適應(yīng)處理算法設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行分析，為實(shí)際彈載北斗導(dǎo)航天線抗干擾系統(tǒng)研究提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

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[2]涂小嵐，張廣馳，萬(wàn)林青，崔苗，林凡.多天線主動(dòng)竊聽(tīng)系統(tǒng)的干擾機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2019，36（01）：254-257.