多徑效應對機載干涉儀天線的影響及措施分析

安玉元, 賈朝文, 劉 翔, 胡留春

(中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都 610036)

0 引言

干涉儀測向技術[1]由于具有較高的測向精度及魯棒性，廣泛應用于機載無源測向系統，如美國的AN/APR-48A、AN/ALQ-125、ZS-2000和以色列的RAS-2“貓頭鷹”等系統[2]。和比幅測向體制不同，四象限全向干涉儀測向技術利用天線單元之間相位差信息、各象限天線幅度信息，利用干涉儀測向解模糊算法[3-4]、選陣算法計算信號的方位。天線通道的幅度和相位特性對測向具有較大影響。首先，由于天線加工的不一致性，導致天線通道間的相位不一致，尤其是寬帶天線，結構、加工細微的差別都可能導致相位差別很大。其次，裝機后天線和天線罩之間，以及天線和機體之間存在較強耦合，對通道的幅度特性和通道間的相位特性影響較大。最后，天線與天線接口單元直接互聯的射頻電纜，在設計和制造上力求電長度一致，但由于技術水平限制等，實際上多路射頻電纜的電長度不盡相同，從而引入了幅度和相位不一致性。因此在進行干涉儀測向之前，通常需要對天線進行幅度和相位校準。

對裝機后的天線進行幅度和相位校準最好是在大型微波暗室的遠場中進行，但是在通常情況下，裝機后很難有足夠大型的微波暗室對天線的幅度和相位差進行校準，更多情況是在開放環境(如水泥地面)完成校準工作。這種開放環境存在多徑效應，會對校準的幅度和相位差產生污染，影響校準效果。本文分析了多徑效應對干涉儀陣列天線通道幅度和通道間相位差的影響，并且和實驗結果進行了對比，分析表明在反射點位置放置吸波材料可有效降低多徑效應的影響。

1 相位干涉儀誤差校準原理

圖1所示為相位干涉儀測向示意圖，輻射源從遠場入射到天線陣口面，和天線視軸夾角為θ。由于到達每一個天線單元的距離不同，導致天線單元之間的相位存在差值。從圖1不難看出，天線單元1和2之間的相位差為φ=2πdsinθ/λ，通過測量通道之間的相位差φ不難計算出信號的入射方向θ=arcsin(λφ/(2πd))(假設不存在相位模糊)。

圖1 干涉儀測向幾何示意圖

相位差的提取精度直接關系到系統的測向精度。相位誤差來源可分為兩部分：一部分誤差是接收機內部通道間的相位差Δφ1；另一部分誤差為天線到接收機口面的誤差Δφ2，這一部分誤差主要來源為天線單元之間、天線與天線罩之間的耦合，以及天線到接收機口面的電纜電長度差。相對于Δφ1，Δφ2為固定系統誤差，可以利用測試手段提取該誤差，并加載到系統中，在實際使用時將該誤差扣除。以某天線陣為例，在測向前先在視軸方向輻射信號，通過提取整個通道間的相位差扣除Δφ1得到Δφ2，在正式測向時通過扣除Δφ1和Δφ2得到由角度引起的相位差。實測Δφ2變化較大，需要在測向過程中予以扣除。

2 多路徑校準精度的影響分析

提取Δφ2的過程如果是在地面開闊環境進行，此時不能不考慮地面環境等因素造成的影響，其中多徑效應影響最大，下面分析多徑效應對校準的影響。

圖2 多徑效應示意圖

圖2所示為多徑效應示意圖，發射天線和接收天線直線距離為d0，離地面距離都為d1，空氣和地面的相對介電常數分別為εr0、εr1，O點為發射天線M和接收天線N之間多徑傳輸的反射點，即在O點滿足發射信號入射角等于反射角。N點的接收天線接收從M點直接傳輸的信號可表示為：

Sr1=ae-jkd0/d0

(1)

式中，a表示信號幅度，k表示波數。由于多徑效應的存在，N點同時還收到從M點經O點反射傳到N點的信號，表示為：

Sr2=aGt(θ1)Gr(θ2)Γ(θ)e-jk(R1+R2)/(R1+R2)

(2)

式中，Gt(θ1)和Gr(θ2)分別表示發射天線和接收天線在對應角度上相對于兩天線連線方向上的歸一化增益。Γ(θ)表示在O點信號的反射系數，垂直極化反射系數和水平極化反射系數表示為：

(3)

式中，Γ⊥、Γ∥分別表示反射點處垂直和水平極化波反射系數。為方便分析，這里分析垂直極化情況，水平極化分析類似。

N點接收到的信號可表示為直接到達信號Sr1和經過地面O點反射信號Sr2的復數和，即：

Sr=Sr1+Sr2

(4)

圖3、圖4分別給出了在θ=30°時不同路面多徑效應對信號Sr相位和幅度影響，從圖中可以看出，多徑效應對信號的相位和幅度影響很大。圖中草地、水泥地、瀝青路面的復相對介電常數分別為12-3.5j、6.4-2j、3-j。

圖3 不同環境下多徑效應對信號相位影響

圖4 不同環境下多徑效應對信號幅度影響

為了驗證地面反射信號Sr2對合成后的信號Sr的影響，在地面反射比較大的區域放置吸波材料，如圖5所示。

圖5 地面放置吸波材料信號傳播示意圖

3 仿真及實驗驗證

3.1 天線增益測試

測試場景如圖6所示，d0=30 m，d1= 1.83 m，通過計算得到θ1=θ2=7°。通過測試得7°的天線歸一化增益(相對于天線視軸方向)如圖7所示。

圖6 多徑效應測試場景

圖7 多徑方向天線歸一化增益(相對于視軸方向)

3.2 多徑效應仿真及測試

實驗參數：d0=30 m，d1=1.83 m，混凝土地面εr1=6.4-2j，經過計算不難得知θ1=θ2=7°，Γ=-0.9053+0.016j。從圖2可知，主要反射區在距離發射天線和接收天線連線中點處，即距離發射天線15m。分別測量沒有放置吸波材料和放置吸波材料兩種情況下接收天線的接收功率，兩者之差即體現多徑的影響，如圖8所示。

圖8 多徑效應測試和理論仿真對比

從圖8可以看出，仿真數據和實測數據吻合較好，說明仿真等效模型可信。下面通過仿真分析多徑效應對通道幅度及通道間相位差影響。

3.3 多徑效應對通道間相位差影響分析

仿真場景如圖9所示，其中接收天線換為在垂直面上排列的4個天線單元，其他參數和3.1、3.2節一致。為分析多徑效應對接收天線通道間相位差的影響，分別計算AB、AC、AD通道間相位差，以AB相位差為例。利用公式(1)和(2)可分別計算A通道無/有多徑效應影響時接收信號的相位，分別表示為φA1、φA2，同理可得到B通道接收信號相位，分別表示為φB1、φB2。無/有多徑相位AB通道相位差分別表示為：

φAB1=φB1-φA1

(5)

φAB2=φB2-φA2

(6)

多徑效應對幅度和相位差影響如圖10～13所示。圖11～13還給出了無多徑效應和鋪設吸波材料相位差，其中吸波材料衰減按照30 dB計算，無多徑效應對應不存在地面反射的場景，即根據公式(5)計算得到的通道間相位差。可以看出，由于存在多徑效應，通道幅度呈駐波狀波段，且頻率越高，波動越大。通道間相位差波動最大達到40°左右，而鋪設吸波材料后最大相位波動在±1°以內，如果在外輻射校準時不排多徑影響，將直接影響干涉儀測向精度。以本仿真場景分析，當真實信號和視軸夾角為30°，頻率為12 GHz時，40°的校準誤差將產生0.92°的測向誤差，而鋪設吸波材料后，可以將這部分誤差對測向精度的影響降低至0.023°。因此為了減少多徑效應對外輻射校準時天線單元幅度和通道間相位差的影響，建議在反射較強的區域鋪設吸波材料。

圖9 多徑效應對通道相位差影響仿真場景

圖10 多徑效應對通道幅度影響

圖11 多徑效應對AB通道相位差影響

圖12 多徑效應對AC通道相位差影響

圖13 多徑效應對AD通道相位差影響

4 結束語

干涉儀測向方法廣泛應用于機載無源探測系統，本文對機載天線在地面進行外輻射校準時多徑效應的影響進行了分析，通過實測數據和仿真結果對比表明等效分析的合理性。同時對某干涉儀天線陣外輻射校準時多徑效應對通道幅度和通道間相位差的影響進行了分析，結果表明多徑響應對外輻射校準的相位差影響較大。因此對于測向精度要求高的無源探測系統，在進行外輻射校準時需要盡可能減小多徑效應的影響，如可以通過在反射比較強的區域增加鋪設吸波材料。■