交叉極化抑制比對單脈沖比幅測向的影響研究

華東電子工程研究所 胡澤賓

1 引言

在電子偵察系統(tǒng)中，為了對任何極化的信號都能接收，偵察天線一般采用圓極化[1]。實際設計中，圓極化天線的軸比，即交叉極化抑制比δ有一定的取值。由文獻[2]可知，強交叉極化干擾會使單脈沖雷達產生錯誤的跟蹤信息。對偵察系統(tǒng)而言，如果偵察天線采用右旋圓極化，則左旋圓極化就是其交叉極化。右旋圓極化對雷達信號的響應是有用信號；左旋圓極化對雷達信號的響應等效為交叉極化干擾信號，反之亦然。因此，在采用圓極化偵察天線的單脈沖測向系統(tǒng)中，我們不得不考慮交叉極化對測向精度的影響。

單脈沖測向有三種常見的類型：幅度比較即同時波瓣掃描、相位比較即相位干涉儀和這個兩種方式的組合形式[3]。下面以單脈沖幅度比較測向系統(tǒng)為例，分析交叉極化抑制大小對測向精度的影響，為圓極化偵察天線的設計提供依據。

2 單脈沖幅度比較測向原理

單脈沖幅度比較測向通過比較重疊的相鄰波束上接收到的功率來測量角度，角度誤差是由相鄰波束內回波信號的幅度差來表示的[3]，原理框圖如圖1所示。

圖1 單脈沖幅度比較測向原理框圖

假設兩天線波束方向性函數F(θ )完全相同，兩天線收到的信號幅度為E1、E2，并且到達Σ端保持不變，兩波束相對天線軸線偏角為θs/2，則對于θ 方向雷達到達波和信號振幅為：

差信號振幅為：

幅度比較器的輸出為：

由式(3)可知，當得到幅度比值u，再帶入已知的θs，通過查表就可以求出雷達信號的入射角θ值。

3 交叉極化的影響

如果偵察天線采用右旋圓極化，則左旋圓極化是其交叉極化。當雷達發(fā)射信號采用垂直極化或水平極化時，其可分解為右旋圓極化信號和左旋圓極化信號的組合。其中，右旋圓極化信號是有用信號；左旋圓極化信號就等效為干擾信號。

假設偵察天線右旋圓極化的方向性函數為，左旋圓極化的歸一化方向性函數為，和、差波束共極化響應為：

和、差波束交叉極化響應為：

幅度比較器的輸出為：

式中，δ表示交叉極化抑制比。

根據式(8)，當得到幅度比值uc，再帶入已知的θs，通過查表就可以求出雷達信號的入射角θ值。

比較式(3)、(8)，交叉極化響應引起的幅度差為：

由Δu可求出測向誤差Δθ，且由式(9)可知，δ 越大，測向誤差越小。

由于加工精度、安裝平臺的影響及天線罩去極化等因素[4][5]，實際天線的交叉極化抑制與設計值有一定誤差。對于規(guī)模較大的單脈沖陣列或饋源，設計的交叉極化通常在-25dB以下。對于小型化的螺旋天線，極化特性在低頻較差，約-15dB，這是由背腔反射造成的[6]。在天線主波束寬度內，交叉極化分量隨角度變化平緩，交叉極化抑制比近似為常數。若天線主波束形狀為高斯型，則差波束幅度分貝值近似隨角度線性變化，斜率為θ0.5/12dB。由于交叉極化分量造成的測角誤差為。由熱噪聲引起的測角誤差為。當交叉極化產生的測角誤差遠小于熱噪聲時，可以忽略交叉極化的影響。當信噪比約16dB時，交叉極化抑制比應大于22dB。

4 仿真分析

為了具體分析交叉極化抑制對單脈沖測向的影響，以某圓極化偵察天線為例進行仿真，其天線主極化與交叉極化方向圖如圖2所示。

圖2 某圓極化偵察天線方向圖

由圖2可得，共極化方向圖的半功率波束寬度約為80?，在波束寬度內，交叉極化分量比主極化低22dB，起伏約10dB。波束偏角30度時，在不同交叉抑制比δ 下，幅度比較器輸出如圖3所示。由圖3可得，在低交叉極化抑制比下，單脈沖幅度比較測向系統(tǒng)幅度比較器輸出誤差較大，將得到錯誤的測向信息。隨著交叉極化抑制比的增大，單脈沖幅度比較測向系統(tǒng)幅度比較器的輸出逐漸減小，測向誤差也將逐漸減小。在相同交叉極化抑制條件下，測角區(qū)間內的測角誤差有起伏，與波束形狀、交叉極化大小、波束偏角都有關系。

圖4 測角誤差隨相鄰波束偏角的關系

下面具體討論不同波束偏角條件下，整個測角區(qū)間內測角誤差的變化，仿真結果如圖4所示。理論上高斯型波束比幅測角，相鄰波束夾角為0.6倍3dB波束寬度時，交疊處測角精度較高，然而天線半功率波束寬度外，交叉極化迅速上升。對于交叉極化抑制22dB的圓極化天線，波束寬度80度，當波束夾角40度時，測角區(qū)間邊緣的測角誤差為0.4度，大于安裝精度等因素引起的測角誤差0.1度，且遠大于交疊處測角誤差。當波束夾角30度時，測角區(qū)間內測角誤差變化較平緩，且低于0.15度。因此波束夾角應略小于半功率半寬度。

以下討論交叉極化抑制比對測角誤差的影響。由于測角區(qū)間內測角誤差有一定起伏，取最大測角誤差，得到不同交叉極化抑制比條件下，測角誤差的變化，如圖5所示。波束偏差分別取20度和30度。

圖5 測角誤差隨交叉極化抑制比變化圖

由圖4可知，隨著交叉極化抑制比的增大，幅度比較器的輸出值逐漸減小，也即單脈沖測向系統(tǒng)的測向誤差逐漸減小，相同交叉極化抑制條件下，波束夾角越小，測角誤差越小。當交叉極化抑制比大于25dB時，其引起的測角區(qū)間內最大誤差小于0.1度，與天線安裝精度引起的誤差相當。

5 小結

根據本文的分析，圓極化偵察天線的交叉極化響應的確影響單脈沖測向系統(tǒng)的測向精度。因此，要得到較高的測向精度，必須采取措施，優(yōu)化設計，提高圓極化偵察天線的交叉極化抑制比，降低交叉極化響應對單脈沖測向的影響。

[1]周朝棟,王元坤,楊恩耀.天線與電波[M].西安:西安電子科技大學出版社,2002.

[2]羅景青.雷達對抗原理[M].北京:解放軍出版社,2003.

[3]張光義,趙玉潔.相控陣雷達技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4]Peyton Z,Peebles J R.Monopulse radar angle tracking accuracy with sum channel limiting[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1985,21(1):137-143.

[5]ARPIN F,OLLEVIER T.Cross-polarization tracking errors of a radome covered monopulse radar[J].Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(10):2354-2360.

[6]Qi Wu,Ronghong Jin,Xiaojing Huang,A Conformal Archimedean Spiral Antenna for Ultra-wide-band Systems[J].IEEE Trans on A.P.2004,Vol.35.