基于三基線干涉儀的二維瞬時測向系統

丁 勇，謝興軍，曾耿華

（中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621900）

瞬時測向技術是電子戰的關鍵技術之一，其作用是快速測定敵方雷達的方位，引導干擾天線波束隨時對準敵方雷達，以達到高效壓制干擾的目的。瞬時測向系統的難點在于對各種原因導致的相位誤差、角度誤差進行校正，保證在寬頻帶范圍具有良好的測向視角和精度。本文介紹的二維瞬時測向系統由兩個完全相同的三基線干涉儀測向通道組成,能快速測量X波段雷達的水平和垂直方位，在 8 GHz～12 GHz范圍內均能達到±60°的視角和±1°的精度。同時系統對天線尺寸、安裝的要求比較低，能滿足機載、彈載的要求。

1 系統設計

1.1 系統構成

該瞬時測向系統采用三基線干涉儀測向原理[1]，在水平、垂直方向各放置4個平面螺旋天線，通過比較水平、垂直方向測向通道輸出的同一脈沖信號的相位差來計算目標雷達的二維方位。每個測向通道包括有天線陣列、X波段放大器、鑒相器、視頻放大器、編碼電路等單元。系統的電路框圖如圖1所示。

1.2 測向精度分析

根據相位干涉測向的基本原理，兩路接收機接收到信號的相位差為：

其中，D為基線長度，λ為波長,θ為輻射源信號的到達角。

干涉儀最長距離D=4λmin,其中λmin為12 GHz的波長。

對上式兩邊微分并整理得：

由上式可知，測向誤差由相位誤差、頻率測量誤差、基線長度誤差等部分組成，而后兩項因素引起的測向誤差與第一項相比要小得多，可忽略不計。

(1)頻率測量誤差所造成的角度誤差。測頻誤差最大一般為 10 MHz,基帶頻率為8 GHz～12 GHz，△f/f為 1/800～1/1 200；

(2)基線長度變化所造成的角度誤差。干涉儀測向的精度取決于最長基線,天線陣中天線間的最大距離D=4λmax/=57.7 mm，天線間的距離誤差 △D≤0.1 mm，因此 △D/D≤1.7×10-3。

因此可簡化為：

接收通道中相位測量誤差的來源如表1。

表1 干涉儀測向接收通道的相位誤差來源

因為可通過硬件、軟件方法對相位誤差進行校正，且測向誤差的指標是工作空域和工作頻率范圍的均方統計值，所以測向精度可以滿足指標要求。

1.3 接收靈敏度計算

對寬帶干涉儀測向而言，因前端有高增益限幅放大器，故靈敏度不受增益限制，而是受噪聲限制。由測向精度分析可見，當輸入雷達信號的信噪比不低于20 dB時，由噪聲引起的干涉儀測向誤差將大大降低，其受噪聲限制的測向靈敏度為：

式(4)中,Br為射頻帶寬，取為 4 000 MHz；Bv為視頻帶寬，取為10 MHz；F為測向前端的噪聲系數,取為 4 dB；D為信噪比,取為20 dB。由此可計算出最高接收靈敏度為-65.5 dBm。

2 組件設計

2.1 天線陣列

天線陣列選為線性陣，要求單元天線的相位一致性好，具有較寬的波束寬度，適合不同極化方式的目標偵收、體積小，重量輕等。平面螺旋天線是干涉儀測向天線陣列中最普遍使用的單元天線,具有較寬的射頻帶寬、恒定的波束寬度和圓極化性能等優點，而且其相位中心在螺旋面上，因而具有優良的相位特性,天線的相位一致性好。其缺點是天線增益較低，但因測向接收機中具有高增益低噪聲限幅放大器,可以彌補天線增益的不足，滿足靈敏度的要求,故平面螺旋天線仍為干涉儀測向天線陣中單元天線的最佳選擇。平面螺旋天線的主要技術指標為：X波段，增益大于 0 dB，波束寬度±60°，相位一致性優于±10°，天線口面Φ為 13 mm。

天線陣列由二維共8個平面螺旋天線組成，兩組天線以相互垂直的方式安裝，可以對前方±60°圓錐范圍內的到達射頻信號進行快速測向。每個方向的天線陣列采用二次諧波關系的間隔布置單元天線[3]，l1=1.443 cm，l2=2l1=2.886 cm，l3=4l1=5.772 cm，如圖 2所示。

2.2 測向前端

測向前端有兩套,分別用于水平方向和垂直方向。測向前端由一個四通道X波段放大器、一個四功分器和3個鑒相器組成。基準信號經基準天線和限幅放大后功分3路，分別與其他3路天線過來的放大信號進行鑒相，輸出3路正交的相差信號。為保證各接收通道的延遲和相位嚴格一致，各功能組件之間采用盡量等長電纜連接，最后借助矢量網絡分析儀通過調整連接到天線的4根電纜長度來精確修正各通道相位。測試結果表明各通道相位差小于10°，達到設計要求。

四通道X波段放大器采用限幅放大器，對每個通道的幅相一致性要求很高。采用四個通道腔體一體化的設計，通道之間距離盡量減小，并采用凹槽以增加隔離距離。經測試，四通道的增益均大于53 dB，通道之間增益不一致性小于2 dB。

鑒相器由相關器、4個平方律檢波器以及2個差分輸入、差分輸出的視頻放大器組成，采用多層結構電路設計，實現耦合器的寬邊耦合。鑒相器的實物及視頻輸出如圖3所示。

功分器采用帶線結構的威爾金森。測試結果表明4路輸出帶內波動小于0.7 dB，相位一致性較好。

2.3 信號處理組件

信號處理組件主要由視頻放大器和編碼電路組成，其電路框圖（單方向）如圖4所示。

差分放大器對測向前端輸出的相差信號進行視頻放大，增益約為40 dB，帶寬為10 MHz。求反正切函數電阻網絡的多個抽頭信號送入比較器，產生格雷編碼[2]并送入FPGA進行角度解算。MCU主要完成角度的校正，通過串口實現RS422通信，輸入頻率碼或輸出二維方位碼。差分放大器輸出的相差信號分別是相位差φ的正、余弦函數，通過求反正切函數可計算出相位差φ，進而計算出方位角θ。

測向算法主要完成反正切函數電阻網絡的格雷編碼、各接收支路相位差的校正、角度編碼和角度校正等功能，其流程圖如圖5所示。

編碼時，用長支路的32 bit比較器輸出直接產生角度碼的低6 bit，然后高位要依次進行校正編碼。以長支路同步校正中支路，中支路同步校正短支路，最后產生8 bit的角度碼輸出。

要在X波段全頻帶內保證測向的視角和精度，需對頻率的變化、微波通道的相位不平衡等原因造成的各支路相位差進行校正，這也是瞬時測向系統研制的重點和難點。系統除采用電纜匹配等硬件校正方法外，還采用軟件算法進行校正，大大減輕了硬件調試的工作量。各支路相位差校正的主要內容如下：

(1)雷達信號頻率的變化引起各支路相位差的變化；

(2)各支路微波通道的相位不平衡導致的相位差；

(3)天線陣列的互耦效應造成的各支路相位差，短支路尤為明顯。

另外還需根據測試結果對8 bit角度編碼進行校正。角度校正的主要內容如下：

(1)由于天線的尺寸誤差、安裝的位置誤差等因素造成的角度編碼的整體偏差；

(2)由于器件的特性等因素造成的角度編碼在特定方位區域的偏差；

(3)各支路在編碼翻轉區域容易產生的奇異點。

3 實驗結果

將瞬時測向系統放置在轉臺上，轉臺可水平轉動，以模擬目標雷達方位角的變化。信號源（模擬目標雷達）放置在3.5 m遠處，通過X波段喇叭天線（增益 20 dB）發射脈沖信號,設置參數為:頻率8 GHz～12 GHz,功率-16 dBm，重復頻率10 kHz，占空比50%。測試的結果如表2所示。

表2 瞬時測向系統的測試結果

從試驗結果可以看出，該系統在8 GHz～12 GHz頻帶內均滿足±60°視角和±1°精度的技術要求。另外,實測接收靈敏度為-63.4 dBmW,滿足-60 dBmW的設計指標要求。

瞬時測向系統的各接收通道之間存在相位不平衡，且會隨著溫度等環境條件的改變而變化，如何進行校正是研制的重點和難點。除通過調節電纜長度、增加恒溫裝置等硬件措施外，采用軟件算法也能達到比較好的效果。

三基線干涉儀瞬時測向系統的結構較為簡單，體積較小，成本也較低，適合小型機載、彈載平臺的使用，主要缺點是不能對多個雷達目標進行識別。該瞬時測向系統已在大功率電子干擾機、反輻射導引頭等多個項目中得到了應用，效果良好。

[1]馮小平，李鵬，楊紹全.通信對抗原理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2009.

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[4]周亞強，皇甫堪.噪聲條件下數字式多基線相位干涉儀解模糊問題[J].通信學報,2005,26(8):16-21.

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