和差波束測角在電子偵察系統(tǒng)中的應(yīng)用

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8511 研究所，江蘇 南京 210007；2.中國人民解放軍93126 部隊，北京 100875）

0 引言

測向一直是雷達情報偵察設(shè)備的一項重要用途。測向接收機所要完成的是快速、準確地測量空間輻射源的方向。和/差波束測角作為測向體制中的一種，有著結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便等優(yōu)點。其本質(zhì)為在一個角平面范圍內(nèi)形成2 個部分重疊的方向性函數(shù)相同的波束，將2 個波束進行和/差處理得到和波束與差波束，進一步利用這2 個波束進行處理可以提高系統(tǒng)性能。

對于單脈沖信號，差信號去掉相位信息，保留幅度信息，利用和波束減去差波束得到的波束，在不增大雷達天線尺寸的條件下采用和差波瓣壓縮技術(shù)來實現(xiàn)測向。但傳統(tǒng)的和差波束校準時僅僅利用了幅度信息而導(dǎo)致測向精度與系統(tǒng)瞬時帶寬緊密相關(guān)，在寬帶電子偵察系統(tǒng)中應(yīng)用受到限制。針對這一難點，本文設(shè)計仿真了四種不同的和差波束天線并分析其優(yōu)缺點，通過幅度相位聯(lián)合校準機制，擴展了帶寬和測向精度，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。等角螺旋天線的臂是由2 條螺旋線構(gòu)成，它們在極坐標系中的方程為：

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。當相鄰兩臂之間的空隙與臂的形狀完全相同時，天線為自互補結(jié)構(gòu)。

等角螺旋天線作為接收天線時，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)。

當入射波為極化時，階模模式電壓輸出為：

當入射波為極化時，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 時得到的模式電壓的相位進行補償消除，因此經(jīng)相位補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)計圖

采用基于矩量法(MoM)的電磁場數(shù)值計算軟件FEK0 對上述模型進行數(shù)值仿真，由于該軟件無法測量天線端口的開路電壓，因此仿真中開路電壓測量采用與實際天線開路電壓測量相似的方法，在各天線端口與地之間各接一個阻值遠大于天線內(nèi)阻的負載，測量該負載上的電流，該電流與負載阻值的乘積近似為端口開路電壓。在設(shè)計時，把天線作為輻射天線時測得各臂阻抗不超過200 Ω，在作接收天線時負載電阻取為10 MΩ，遠大于天線內(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)，對上述四種天線和差波束差的增益差求導(dǎo)，并對導(dǎo)數(shù)的絕對值求均值，可得表1。

表1 增益差曲線導(dǎo)數(shù)絕對值的均值 dB/（°）

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

表2 增益差曲線導(dǎo)數(shù)絕對值的最小值 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)，各頻點的斜率絕對值的均值最大，在垂直極化天線中，直徑96 mm 的正弦天線斜率絕對值的均值較大，對數(shù)周期天線在各頻點差異較大。在偏離正前方角度±20°范圍內(nèi)，各頻點的斜率絕對值的最小值較大，2 款正弦天線的斜率絕對值最小值相近，對數(shù)周期天線在各頻點差異較大。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，本節(jié)特意選取第三種對數(shù)周期天線（160 mm×100 mm×87.5 mm）作為樣例，并在微波暗室中進行了實際的測試實驗，其幅度差和相位差隨角度變化如圖4 所示。

由圖4 可見，實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)間變化趨勢變得平緩，可以預(yù)見，在此區(qū)間的測向誤差會變得很差。

圖4 對數(shù)周期天線樣機和差波束特性

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

圖5 測向角度隨入射角變化圖

4 結(jié)束語

相比于干涉儀體制，差波束測角技術(shù)具有天線結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備通道數(shù)少、成本低、平臺試裝性強等優(yōu)勢，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)觀點認為，和差波束測角本質(zhì)上仍屬于比幅測向體制，測向精度低，限制了其在通用電子偵察要求測向精度高的場合的應(yīng)用。本文通過理論分析、實驗驗證，優(yōu)化了和差波束校準方法，提高了其測向精度，有望將其應(yīng)用于通用電子偵察中?！?/p>