一種基于和差波束測角的地面站微波通信跟蹤系統

摘要：在微波通信系統中，利用天線陣和差波束測角技術，可以計算遠處發射電磁波目標的方位偏角。基于這一技術設計了一種地面站微波通信跟蹤系統，當遠處飛行目標進行水平運動時，天線陣列通過計算所得的目標偏角信息，利用伺服轉臺進行轉動并始終保持天線陣列指向目標，最終實現對目標的跟蹤通信功能。

關鍵詞：微波通信;和差波束;天線陣;跟蹤系統

中圖分類號：TN92文獻標識碼：A文章編號：1672-9129（2020）13-0071-01

1引言

當低空飛行目標與地面站進行微波頻段通信時，通常采用GPS信號進行定位，從而引導地面站天線指向目標。但在GPS信號弱或者丟失的情況下，可能失去目標的GPS位置信息，導致地面站天線陣無法對準目標。為了解決這一問題，設計了一種地面站微波通信跟蹤系統，利用天線陣和差波束測角技術，實時計算判斷目標與天線陣列的方位偏角，從而控制伺服轉臺帶動天線陣對準指向目標，實現對目標的跟蹤通信效果。

2和差波束測角技術

在天線陣列中，當所有單元饋入等幅同相的信號時，波束會在法線方向合成單一峰值的和波束。當左右陣面的單元分別饋入等幅反相的信號時，天線波束會形成具有零深的差波束。

天線陣列單元（數量為n）如圖1所示進行擺放，且假設天線單元都為理想半波振子。

將天線單元1幅度相位歸一化為：E1=1。第2個單元為：E2=1*exp（-1j*2πdsinθ*/λ）。以此類推第n個單元為：En=1*exp（-（n-1）j*2πdsinθ*/λ）。

設計時n取偶數，天線陣列可以按中心法線分為對稱的兩個陣面。

那么，對于左陣有：PL=E1+E2+...+En/2，對于右陣有：PR=En/2+1+En/2+2+...+En，令P差=PL-PR，P和=PL+PR，則有：|P差/P和|=|tan（nπdsinθ/λ）|以及P差/P和=-jtan（nπdsinθ/λ）。

其中d為兩個單元間距，上面說明通過和差波束幅度比值可以計算偏角|θ|的大小，通過和差波束相位比值可以確定θ在法線的左側還是右側。

3微波通信跟蹤系統的設計

3.1微波天線陣列的設計。八木天線主要由半波振子、巴倫、反射器，以及引向器構成。半波振子是經典的輻射器形式，它將饋入的電磁波能量輻射到自由空間中，它有兩條臂，其中一條臂接地，通常設計一個巴倫消除接地臂的不平衡性。引向器和反射器的作用是引導電磁波定向輻射，反射器通常較振子稍長，引向器通常稍短，且越靠近前端的引向器越短。將八個這樣的天線單元按照半波長的間隔進行排列，就構成了一個八木天線陣列。

3.2和差信號雙通道的設計。所設計的天線陣列從中心線可劃分為左陣面和右陣面，左右陣面分別與左右功分器連接。左右功分器分別將從左陣面和右陣面接收到的信號能量進行合成，然后再饋入給和差器的兩個接收端口。在和差器內，左右陣面的一半信號進行同相疊加，然后從和通道輸出，左右陣面的另一半信號進行反向抵消，然后從差通道輸出。從而構成了一個能同時形成和信號與差信號的雙通道。

3.3跟控伺服轉臺。遠處飛行目標發射的無線電信號被地面站的天線陣接收，形成和信號與差信號，通過濾波放大后，分別采集和差兩路信號，并對這兩路信號進行幅度值比與相位比值的計算，利用比值根據公式計算偏角θ，由此可得出遠處目標相對于天線陣列法向的偏角θ信息，再將偏角信息反饋給伺服轉臺，并控制轉臺進行相應跟蹤轉動，就完成了伺服轉臺的跟蹤和控制。

4通信跟蹤系統實物

當目標進行相對水平運動時，地面站的跟蹤系統不斷采集和差信號，并進行比值運算計算目標的偏角θ，伺服轉臺根據θ值持續調整天線陣的指向，讓天線陣列的指向始終正對通信目標，從而實現跟蹤通信的功能。所研制的地面站通信跟蹤系統實物圖片如圖2所示，它主要由主要由八木天線陣列，和差信號雙通道，以及跟控伺服轉臺三部分組成。

5結語

基于天線陣和差波束測角技術設計了一種地面站的微波通信跟蹤系統，當遠處通信目標水平運動時，系統計算目標偏角并調整天線陣列跟蹤對準目標，從而在丟失目標的GPS位置信息情況下，也能保證地面站與目標的通信效果。

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作者簡介：伍舉（1985--），男，漢族，四川遂寧，碩士研究生，工程師，工作單位：四川九強通信科技有限公司，研究方向：微波天線及微波通信技術。