相关干涉测向天线关键技术和实现

赵碧峰 赵志彦 马 欣 /

1. 广州市无线电监测计算站；2. 上海市计量测试技术研究院，上海市电磁兼容检测重点实验室

0 引言

无线电测向是根据电磁波传播特性，使用仪器设备测定无线电波来波方向的过程。相关干涉测向是干涉仪测向的一种，通过测量不同天线单元在不同的波前位置所接收的信号之间的相位差，再将测得的相位差与已知的某角度入射波的相位差(即样本)进行比较。经过相关运算和插值处理，从相关性最大的数据得出来波方向。相关干涉测向系统由测向天线和接收处理单元组成，其中测向天线对测向准确度影响最大。天线阵的设计和天线原始相位样本的采集是影响测向天线性能的关键。

1 测向天线的设计

干涉仪测向技术在工程应用中的关键在于如何解决天线阵超孔径、相位模糊和测量误差。

实际的相关干涉测向系统天线，需要用分层和多种基线组合来使系统的测量范围覆盖所需的测量频段。确定天线各基线的孔径与波长比D/λ的门限值（最大值），在实现大孔径测向时避免出现超孔径，这成了天线设计的关键。D/λ到达门限值，随着频率的增高，将采用D较短的基线组合或天线层。通常这个门限值取1.5左右。

下文是VUHF频段五单元相关干涉圆形测向天线分层结构与尺寸的实例（图1）。

为了获得准确的测向结果、减少测向误差，必须采用尽可能大的孔径的测向天线，同时也要避免孔径过大而造成的相位模湖。因此，天线分层和尺寸的设定要综合考虑孔径、模糊的影响，而且天线要适用于场地安装。

图1 五单元圆形测向天线阵

同一层天线也可以通过选择不同的基线组合。在同一天线层中，低频率段采用基线较长星型的基线组合（1-3、2-4、3-4、4-1、5-2），如图2实线部分，而在高频率段采用基线相对较短的环形组合（1-2、2-3、3-4、4-5、5-1），如图2虚线部分。这样可通过增大天线元之间的间距，减少天线间互耦的影响，改善整个频段的测向准确度。本文天线设计的各种分层和基线组合的D/λ值见表1。

图2 五元基线组合

表1 各种分层和基线组合的D/λ值

2 天线原始相位样本采集

根据相关测向原理，每套测向天线都有相应的原始相位样本文件（天线校正文件）。天线校正文件中的样本（频率和方向）的选择应根据实际需要。样本点越多，测向准确度越高，但相关运算时计算时间越长，影响测向速度。取点的思路是孔径小的频段尽量多取，即频率步长要小；孔径大的频段可以少取，即频率步长可大。表2是图2天线样本频率选择的例子。

表2 频率步长选择示例

天线的原始相位样本可根据设计尺寸通过几何运算计算出来。但实际天线在生产过程和安装中会出现一定的偏差，且每套天线不尽相同。需要通过场地测试获取天线的原始相位样本。

原始相位样本需要在标准场地安装系统设备进行测试采集。测向天线放在360°的转台中按一定的角度步长转动，在远处按表2的频率发射同极化方向足够强的未调制信号，同时记录各基线的相位差样本。样本数据中可能有个别由于测试场地或仪器的原因造成异常，需经人工调整和平滑处理后生成样本文件。假设天线基线相位样本的角度步长为4°，共需采集天线相位样本5×频率点数×360/4 个（图3）。

图3 测向天线的原始相位样本采集

信号源离被测天线的距离理论上应该是无限远，以保证测向天线收到的入射信号为平面波。如图4所示，根据测向原理，若信号源在无限远，A和B天线接收到的信号对应的波程差是AC。如果信号源在T，那么波程差就是AD。这就是入射信号为非平面波造成的测向误差。

图4 非平面波造成的测向误差

根据相关干涉仪测向原理，低频段时测向结果对相位差较为敏感。根据图4的几何关系，测向距离为L时，相位误差φerror为

当频率为20 MHz时，入射角为45°，d= 2.8 m，若要相位误差小于2°，测向距离至少约100 m。标准场地的条件是很难满足的，实际测试场地要选择平坦、开阔、没有建筑物或树木的遮挡，关键是附近没有电磁辐射的干扰。由于实际场地的限制，只能选择一定的距离，并使造成的测向误差控制在准确度评估允许的范围之内。通常测试场地大小至少有15λ长、10λ宽。发射源离被测天线的最小距离为5λ，其中λ为最低测试频率波长。

对于20 ～ 50 MHz低频段小孔径测向来说，一些场地环境的因素如建筑物的反射、场地不平或导电率不均匀引起的电波畸变对测向误差的影响也很大。因此，测试场地的好坏直接影响该频率段相位样本采集的质量。图5就是同一测向天线在两种不同场地下样本采集的结果。

图5（a）中的测试样本数据受场地多重反射的影响，相位抖动严重。

实际场地测试时，电磁环境很难做到非常干净。要先进行场地电磁环境测试，在选择测试样本的频率时避开干扰信号。选择非整数、非标准信道间隔的频率点是明智之举（如不用20 MHz而用20.16 MHz，其他频率亦然）。

要得到好的测试样本，还要注意调整各频段发射源的输出电平幅度，使测向机在全频段的接收电平基本相同，平坦度在2 dB以内。通常将接收电平保持在高于测向系统设备接收灵敏度20 dB左右。另外，需调整发射天线的离地高度，使得采集到的样本相位-频率变化无明显抖动。

图5 现场环境对样本采集质量的影响

3 结语

相关干涉测向体系是目前应用最多的一种无线电测向体制，技术日趋成熟。由于其优异的性能，在军事和无线电管理上得到广泛的应用，仍然是今后一个重要的发展方向。本文以五单元天线阵为例，探讨了影响测向系统性能的天线孔径和原始相位样本等关键技术问题。提出的解决方案已成功应用于实际测向系统中，有效地提高了系统的测向准确度。

[1] Zhou Jianhua，Xin Hong，Yin jianping. Analysis of the Dipole Circular Array in Interferometric Direction-Finding System[1]. 2000 5th International Symposium on Antennas, Propagation, and EM Theory, 2000.

[2] 方洪俊，周长荣. 测向精度试验中测向距离的选择方法[J]. 电子对抗技术，2001，16（2）：31-37.