射頻仿真系統任意極化信號產生方法研究

江　橋

(解放軍91404部隊，秦皇島 066001)

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射頻仿真系統任意極化信號產生方法研究

江橋

(解放軍91404部隊，秦皇島 066001)

摘要：從當前雷達技術發展及雷達試驗驗證環境的現狀出發，提出了任意極化信號產生的必要性，分析了任意極化的重要性，并通過極化控制理論推導控制公式，分析了2種極化控制方案的優缺點，最后通過仿真驗證了任意極化控制模型的正確性。

關鍵詞：射頻仿真；任意極化；陣列控制

0引言

戰場電磁環境日趨復雜惡劣，促使人們不斷開發利用各種信息處理技術來提高傳感系統的探測能力和感知能力。極化是電磁波除時域、頻域和空域信息以外的又一可資利用的重要信息，充分挖掘極化信息為現代雷達探測系統性能的改善提供了廣闊的空間。隨著雷達極化測量技術的發展和人們對目標電磁散射特性認識的逐步深入，雷達極化學作為現代雷達技術的重要分支，取得了豐碩的研究成果，極大地推動了雷達技術的發展[1]。

越來越多的極化雷達相繼研制成功并投入使用，對雷達試驗驗證環境提出了新的要求。傳統射頻仿真試驗系統并不關心信號的極化特征，一般一次試驗只能形成單一的水平極化或垂直極化信號環境。如何構建具有任意極化特性的復雜電磁信號、目標回波信號、干擾信號以及雜波信號環境，以適應現代新體制雷達電子戰裝備的內場仿真試驗需求，是雷達、電子戰內場射頻仿真系統建設中亟需解決的問題。

1極化控制理論

極化是指在空間各點，以場強模值為長度、空間指向為方向所畫出的場矢量的尖端隨時間變化所描繪出來的幾何軌跡[2]。

均勻平面波的電場和磁場同形，只是磁場和電場的方向是垂直的，工程上常用電場的幾何狀態來定義均勻平面波的極化狀態。

如圖 1所示,按右手法則建立平面直角坐標系,沿+z或-z方向傳播的均勻平面波的電場可以由分別在x和y方向上的2個獨立電場迭加而成[2]。不失一般性，可設A點的電場為:

E(A，t)=ixE1sinωt+iyE2sin(ωt+δ)

(1)

因而有:

Ex=E1sinωt

(2)

(3)

圖1　坐標系

極化形式包括線極化、圓極化和一般橢圓極化。其中，線極化和圓極化分別為橢圓極化在軸比為1和∞時的特例，通常所說的水平極化和垂直極化又是線極化的特例。圓極化和橢圓極化還存在左旋極化和右旋極化的區別。IEEE規定：當觀察者順著電磁波傳播方向看時，在傳播路徑的某個固定位置上，電場矢量隨著時間順時針旋轉者為右旋，逆時針旋轉者為左旋[3]。對于+z方向傳播的均勻平面波，當0<δ<π時，就是左旋波；當-π<δ<0時，就是右旋波。對于-z方向傳播的均勻平面波，則剛好相反。

因此，對單輻射源極化控制就轉化為對兩同頻正交電場矢量的幅度和相位的控制。對于任意極化，都可以由極化橢圓方程來描述:

(4)

根據橢圓極化軸比和傾角的定義，解方程可得歸一化功率控制關系為:

(5)

(6)

相位控制關系為:

(7)

式中:AR為橢圓極化的軸比;τ為橢圓極化的傾角。

2任意極化射頻仿真系統設計

在射頻仿真試驗系統中，射頻天線陣列由若干個如圖 2所示的三元組組成，通過機械和電氣校準，使各天線到陣列回轉中心的相位一致。通過控制三元組各天線的信號幅度，使信號幅度重心在三元組內移動，從而實現任意軌跡目標的模擬。

圖2　射頻仿真系統三元組原理示意圖

傳統射頻仿真系統中，天線輻射單元一般為水平或垂直單極化天線，或雖為雙極化天線，但一次試驗只能選通水平或垂直中的一路，不能對水平和垂直支路進行實時同步控制。將單輻射源極化控制理論應用于陣列射頻仿真系統中，天線輻射單元采用雙極化天線，通過增加前端陣列饋電通道數量，同時對三元組各天線的水平支路和垂直支路的幅度和相位進行控制，從而實現任意極化、任意軌跡目標的模擬。有2種陣列饋電方案可供選擇，如圖 3和圖 4所示。

在方案1中，目標位置控制與極化控制單獨進行，極化控制是在后端天線單元處實現的；每個射頻饋電通道所需的幅相控制模塊數量為“3+2×n”(n為陣列天線單元數量)。在方案2中，目標位置控制與極化控制同時進行，每個射頻饋電通道所需的幅相控制模塊數量為“2×3=6”。

圖3　方案1陣列饋電原理框圖

在陣列射頻仿真中，幅相控制模塊是系統中價格最為昂貴的器件。2種方案均能實現任意極化、任意軌跡的目標模擬，但從費效比來講，方案2要比方案1大大節約建設成本。

圖4　方案2陣列饋電原理框圖

3任意極化信號的三元組合成

電磁場中的功率流密度，稱為坡印廷矢量，表征了單位時間流過場中某點垂直于傳輸方向單位面積的能量:

(8)

坡印廷矢量的方向表征了信號的傳播方向，坡印廷矢量的模表征了功率流密度值。

將文獻[4]中的單極化電磁矢量方程應用到任意極化三元組天線單元。各輻射天線電場可表示為：

(9)

磁場可表示為:

(10)

代入平均坡印廷矢量公式:

(11)

可求得目標視在方位角φ、俯仰角θ以及合成場的極化形式。

經推導，經小角度近似后，任意極化三元組歸一化幅相控制公式為：

(12)

(13)

式中：m為垂直極化支路幅度相對于水平極化支路幅度比值;Δa為垂直極化支路相對于水平極化支路相位差;m和Δa的具體取值由單天線單元的極化公式求得。

4仿真驗證

以48mrad為例，分別選取不同傾角的斜極化、不同傾角和軸比的橢圓極化，對每種極化參數在三元組內任意取點10 000次，不考慮幅相控制誤差，經統計可得陣列回轉中心處合成場的目標位置模擬誤差最大為0.008mrad，均方根為0.002mrad。目標位置模擬誤差分布如圖5和圖6所示。

選取幾組典型極化參數，控制誤差如表 1、表 2所示。

通過仿真計算，可見采用本文所述任意極化信號產生方法，能夠產生所需的任意極化、任意目標軌跡的信號，陣列回轉中心處目標位置模擬誤差和極化控制誤差可忽略不計。

圖5　目標模擬位置誤差分布散點圖

圖6　目標模擬位置誤差分布概率統計柱狀圖

表1　斜極化極化控制誤差

表 2　橢圓極化控制誤差

5結束語

射頻仿真系統任意極化信號產生對構建具有任意極化特性的復雜電磁信號、目標回波信號、干擾信號以及雜波信號環境，以適應現代新體制雷達、電子戰裝備的內場仿真試驗需求有著重要意義。

參考文獻

[1]羅佳.天線空域極化特性及應用[D].長沙：國防科學技術大學，2008.

[2]徐永斌,何國瑜.工程電磁場基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，1992.

[3]張明勝.極化信息與變極化技術的研究[D].南京：南京理工大學，2005.

[4]毛繼志,郭陳江,張麟兮,許家棟.幅相誤差對射頻仿真系統目標位置精度的影響[J].系統仿真學報，2003，15(8)：1149-1151.

Research into Random Polarization Signal Generation Method of RF Simulation System

JIANG Qiao

(Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)

Abstract:Starting from current status of radar technology development and radar experiment verification environment,this paper puts forward the necessity of random polarization signal generation,analyzes the importance of random polarization,and deduces the control formula through polarization control theories,analyzes the advantages and disadvantages of two polarization control projects,finally validates the correctness of random polarization control model through simulation.

Key words:radio frequency simulation;random polarization;array control

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.015

中圖分類號：TN955.2

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)01-0072-04

收稿日期:2015-10-16