和差比幅測向技術(shù)的仿真與實驗分析*

李永維，王玉文，陳映竹，束 強，李晗靜

（電子科技大學 航空航天學院，四川 成都 611731）

0 引 言

分析與識別日益復雜的通信信號和對其輻射源測向，在軍事﹑民用領(lǐng)域中都有著非常重要的作用[1]。確定信號的方向是電子偵察系統(tǒng)的一個重要方面。隨著無線電通信業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，為保障頻譜資源的正常和有效使用，無線電監(jiān)測技術(shù)得到了越來越廣泛的應用。其中，無線電測向定位作為關(guān)鍵技術(shù)，在信號偵查﹑干擾源和不明信號查處﹑目標輻射源地理位置的確定等方面起著重要作用[2]。

1 和差比幅測向原理

和差比幅測向技術(shù)采用相互重疊的兩個波束來測向。如圖1所示，假定天線波束方向圖函數(shù)為F(θ)，等信號軸OA指向為θ0，波束1﹑2的方向圖

函數(shù)分別寫成：

式中θk為θ0與波束最大時方向的偏角[3]。

圖1 互相重疊的兩個波束圖

假設(shè)波束1﹑2接收的回波信號分別表示為：

式中，θt為目標所在方向偏離等信號軸θ0的角度。理想情況下，波束方向圖如圖2所示。

圖2 理想情況下波束方向圖

對u1﹑u2信號進行處理，就可以得到目標信號方向θt的信息。此外，由u1﹑u2可計算得到其差值Δ(θt)及和值∑(θt)。

等信號軸θ=θ0附近，插值Δ(θ)可以近似表示為：

而和信號：

等信號軸附近：

即可求得和波束與差波束∑(θ )與Δ(θ)，歸一化的和差值為：

因為歸一化的和差值與目標偏離的角度θt成正比，所以可用和比差的值來判定角度的大小及方向[4-6]。和差波束如圖3所示。

圖3 和差波束

通常情況下，和波束主瓣不夠尖銳，而差波束可能存在多個零點。因此，無論是單獨利用和波束搜索最大能量方向來測向，還是利用差波束搜索最小能量方向來測向，都難以獲得精度較高的測向結(jié)果。所以，實際處理時需要聯(lián)合和差波束輸出結(jié)果完成測向處理[7]。

設(shè)方位i上的和﹑差波束輸出結(jié)果分別為fi∑﹑fiΔ，則在方位i上測向數(shù)據(jù)的輸出為：

搜索Di的最大值DMAX，則其對應的方位即為信號的入射方向。理想情況下的測向結(jié)果，如圖4所示。

本系統(tǒng)中的差波束是由一個等幅反相的二元天線陣及和差網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的。單元天線采用的是對數(shù)周期天線。和波束采用一個對數(shù)周期天線來實現(xiàn)。三個天線同時架設(shè)在可升降轉(zhuǎn)臺上，隨著轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，測向系統(tǒng)自動采集需要頻段相應角度上的和波束信號和差波束信號。旋轉(zhuǎn)一周后，系統(tǒng)自動找出和差比幅最大的一些信號。這些信號就是找到的干擾源和非法電臺，系統(tǒng)可以給出這些信號對應的角度，并通過后臺軟件處理分析出這些信號的幅頻特性[8]。

圖4 理想情況下的測向結(jié)果

2 測向系統(tǒng)

測向分系統(tǒng)又由測向天線陣﹑和差網(wǎng)絡(luò)和伺服系統(tǒng)以及測向接收機（可用頻譜儀替代）構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)組成

A1﹑A2為測向天線，頻率為5 00～1000 MHz；測向接收機的頻率為20～3 600 MHz；筆記本電腦作為中央控制處理器；工作軟件包括測向定位﹑監(jiān)測測量﹑電子地圖﹑干擾分析﹑數(shù)據(jù)庫﹑數(shù)據(jù)通信﹑輸出顯示﹑控制等軟件及其他軟件。測向系統(tǒng)中，和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計如圖6所示。功分器是一種將一路輸入信號能量分成兩路或多路輸出相等或不相等能量的器件，也可反過來將多路信號能量合成一路輸出，此時稱為合路器。180°功分器是將信號做差處理；0°功分器是將信號做和處理。圖6中，0°功分器將兩天線接收到的信號分成兩路，分別輸入到180°和0°功分器。180°功分器實現(xiàn)兩天線接收到信號的差處理，0°功分器實現(xiàn)兩天線接收到的信號的和處理，再由一個180°的功分器產(chǎn)生“和-差”信號。

圖6 和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3 測向結(jié)果分析

由于是第一次驗證整個系統(tǒng)的測試，軟件和硬件結(jié)構(gòu)都存在很多不確定性因素，所以暫時先在室內(nèi)測試。圖7為測試模型，發(fā)射和接收天線后面均有一堵墻，墻與天線的距離大概有5 m；收發(fā)天線距離約13 m，發(fā)射天線高度是2.3 m，發(fā)射天線（差波束）的高度也約為2.3 m，天線距離天花板約1.5 m。由于待測頻率較低，該場地反射較大，會對測試結(jié)果有一定影響。

圖7 測試模型

測試步驟：

（1）發(fā)射天線和接收天線均采用45°斜極化，發(fā)射天線固定不動；

（2）信號源分別發(fā)射350 MHz的信號，功率為0 dBm；

（3）接收天線連接9020接收機，9020連接筆記本電腦，設(shè)置接收頻率為350 MHz，Span為1 MHz；

（4）啟動測試軟件，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，采集9020的測試數(shù)據(jù)，測試角度范圍是±80°；

（5）繪制方向圖；

（6）更換發(fā)射和接收信號為800 MHz和1 GHz，重復步驟1～步驟5；

（7）更換接收天線，重復以上步驟1～步驟6，測試順序分別是差波束天線﹑和波束天線﹑和-差波束天線。

測試結(jié)果依次如圖8～圖16所示。

圖8 350 MHz差信號

圖9 350 MHz和信號

圖10 350 MHz和-差信號

圖11 800 MHz差信號

圖12 800 MHz和信號

圖13 800 MHz和-差信號

圖14 1000 MHz差信號

圖15 1000 MHz和信號

圖16 1000 MHz和-差信號

在現(xiàn)場條件下，測試了350 MHz﹑800 MHz﹑1000 MHz三個頻點的差波束﹑和波束以及和差 波束方向圖。測試結(jié)果顯示，差波束的零深很深，非常符合測向的要求；和波束的方向圖也基本在0°附近出現(xiàn)最大值；測試軟件有插入失敗以及壞值，軟件有待升級；目前的軟件沒有自動繪圖功能，有待升級。

4 結(jié) 語

本文對和差比幅測向原理進行理論仿真，利用功分器設(shè)計和差網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和﹑差信號的輸出。經(jīng)室內(nèi)實際測試發(fā)現(xiàn)，測試結(jié)果與理論結(jié)果大致相同，但由于室內(nèi)環(huán)境對信號的反射影響，導致實驗結(jié)果不夠精確。下一步將在室外無反射測試場進行測試。在室外測試時，調(diào)整和波束和差波束的位置，觀察在進入180°功分器前和波束和差波束的功率值以及接上功分器后的功率值，看是否在數(shù)值上是“和-差”。調(diào)整差波束天線之間的間距進行對比測試，減小和波束和差波束天線之間的間距，保持在半個波長以上如500 mm進行對比測試，只用功分網(wǎng)絡(luò)和兩個差波束天線進行合成，進行對比測試。

[1] 甘露.通信信號測向與分析技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學,2009.

GAN Lu.Research on Communication Signal Direction Finding and Analysis[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology,2009.

[2] 劉偉.無線電監(jiān)測多站測向定位研究[D].成都:西華大學,2013.

LIU Wei.Radio Direction-finding and Location Research in the Radio Monitoring[D].Chengdu:Xihua University,2013.

[3] 劉亮.雷達測角方法研究[D].西安:西安電子科技大學,2013.

LIU Liang.Study on Radar Angle Measurement Methods[D].Xi’an:Xidian University,2013.

[4] 孫海浪,侯慶禹,陳昌云等.單脈沖和差波束及測角方法研究[J].航天電子對抗,2012,28(01):42-44.

SUN Hai-lang,HOU Qing-yu,CHEN Chang-yun,et al.Study on the Method of Sum and Difference Patterns and Angle Method[J].Space Electronic Countermeasu-res,2012,28(01):42-44.

[5] 翟慶偉,王玉,官兵.波束比幅法測向技術(shù)研究[J].無線電通信技術(shù),2007,33(06):55-56.

ZHAI Qing-wei,WANG Yu,GUAN Bing.Research on the Technology of the Beam Amplitude Comparison Direction Finding[J].Radio Communication Technology,2007,33(06):55-56.

[6] 方棉佳,呂濤.單脈沖和差波束測角的精度研究[J].雷達科學與技術(shù),2013(06):645-649.

FANG Mian-jia,LV Tao.Research on Precision of Angle Measurements in Monopules Sum-Diffrerece Beams[J].Radar Science and Technology,2013(06):645-649.

[7] 陳洋,章錦文,姚宏達.振幅和差式單脈沖雷達建模及測角性能仿真[C].中國系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應用學術(shù)年會,2011.

CHEN Yang,ZHANG Jin-wen,YAO Hong-da.Modeling and Angle Measuring Simulation of Sum-Difference Patterns of Amplitude Mono-Pulse Radar[C].China's Annual Conference on System Simulation Technology and Its Application,2011.

[8] 周一宇.電子對抗原理與技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

ZHOU Yi-yu.Principle and Technology of Electronic Countermeasures[M].Beijing:Electronic Industry Press,2014.