宋海濤，鄭曉冬，范廣偉

（中國電子科技集團第54研究所，石家莊 050081）

GNSS干擾測向天線設計

宋海濤，鄭曉冬，范廣偉

（中國電子科技集團第54研究所，石家莊 050081）

本文分析了衛(wèi)星導航干擾信號干涉儀測向基本原理，給出了寬帶和寬波束天線單元設計仿真，針對無模糊測向和降低互耦影響需求設計了7陣元均勻圓陣測向天線。

干擾測向；干涉儀；陣列天線；互耦

1 引言

衛(wèi)星導航信號到達接收機口面功率較低，微弱的有意或無意干擾都可能對導航接收機造成影響。在電磁環(huán)境復雜的區(qū)域，需要對衛(wèi)星導航信號進行區(qū)域可用性評估，其中，對導航干擾信號的定位定向尤為重要。

衛(wèi)星導航干擾信號測向與普通的無線電測向技術原理基本一致。無線電測向方法可分為干涉儀法測向、最小信號法測向、多普勒法測向、最大信號法測向、時差法測向等。其中，干涉儀法測向是應用廣泛的測向方法，具有測向速度快、測向精度高等優(yōu)點。采用相關干涉儀方法，將陣列天線接收到的導航干擾信號進行比相，經(jīng)過相關運算和處理，從相關性最大的數(shù)據(jù)得出來波方向。天線陣列的性能影響測向準確度，所以對天線陣列的研究是干擾測向技術研究的主要方向之一。

2 測向天線原理

2.1 干涉儀測向基本原理

干涉儀測向的實質是利用無線電波在基線上的相位差來確定來波方向。以2元線陣為例介紹相位干涉儀測向原理。

圖1是2陣元線陣相位干涉儀測向原理圖，來波信號在A、B天線單元上產(chǎn)生相應的相位差。

圖1 線陣干涉儀測向原理圖

設來波方向與天線法線夾角為θ，到達兩個天線單元的相位差為

2kπ+Ф=（2πDsinθ）/λ

當基線長度D＜λ/2時，此時模糊數(shù)k為0，對于任意方向入射波基線相位差在±180°以內，測量值反映實際值；當基線長度D＞λ/2時，受到相位周期的限制，會產(chǎn)生相位差值的周期循環(huán)，形成相位模糊，選取適當?shù)幕€長度，以消除相位模糊。

2.2 圓陣干涉儀測向基本原理

衛(wèi)星導航干擾測向天線采用均勻圓陣，具備圓對稱性的結構特點和良好的測向性能。圓形陣列天線指的是天線輻射單元沿著圓弧等間隔分布，以7陣元圓陣天線為例，布局如圖2所示。

圖2 圓陣天線基線圖

天線單元等距離位于A，B，C，D，E，F(xiàn)，G位置，每兩個天線單元組成一條基線，共計21條基線。為避免孔徑過大造成的相位模糊，選擇基線相對較短的基線組合來進行高頻信號相位比較和測向，同時，選擇短基線，在保證無相位模糊的情況下，可以增大天線單元間的距離，減少天線間互耦的影響，提高測向精度。即選擇AB，BC，CD，DE，EF，F(xiàn)G基線測量。將得到的多組測向結果進行統(tǒng)計和處理，可以確定惟一的測向值，消除多值。

3 測向天線單元設計

測向天線單元要求的頻率范圍為1200MHz-2500MHz中的導航接收頻段，帶寬較寬，同時要求半功率波束寬度120°。

根據(jù)技術條件對天線波束的要求，最合適的方案為對稱振子加反射板，對稱振子在方位面內能提供全向的方向圖，而在垂直面內提供8字形的方向圖，半功率波束寬度在60～90度范圍內，為了產(chǎn)生定向輻射波束，需要在對稱振子后面適當位置加金屬反射板，反射板距振子距離一般為四分之一波長，這樣反射板反射的電磁波再次到達振子表面是走過的路徑是二分之一波長，相位是180度，考慮到電磁波被金屬反射板反射一次附加180度的相位差，這樣在振子表面天線向前輻射的電磁波與后向反射回的波正好同相位，增強了前向輻射功率，即前向增益增大，后向輻射得到抑制，適當調整振子距反射板的距離和反射板尺寸，以得到我們所需的波束寬度要求。

對稱振子的帶寬一般比較窄，為了得到寬頻帶特性，通常的技術措施是將振子臂加粗（對于平面的情況就是加寬）、改變振子臂的形狀，使其從饋電點向外逐漸加粗（加寬），呈錐型，或者呈菱形、橢圓形等各種變形?？梢源蟠笳箤拰ΨQ振子的工作帶寬。

我們選擇對稱蝴蝶結型結構，通過調整振子長度、蝴蝶結的錐角等參數(shù)，使其在要求的工作頻段內滿足駐波比、方向圖、增益等指標要求。

圖3 天線單元方向圖仿真結果

反射板距對稱振子的距離是一定的數(shù)值，但是它無法對所有頻點滿足四分之一波長的要求，例如2500MHz頻率是1250頻點的2倍，所以當選取距離對于1250MHz來說滿足四分之一波長要求時，對于2500MHz來說已經(jīng)是二分之一波長了，此時，被反射板反射的電磁波與前向輻射波在振子表面處是反相的，即相位差180度，這樣在天線法向方向就會形成帶凹陷的方向圖，即法向方向增益減小而在其他方向增益增加，為了消除這種現(xiàn)象需要在反射板與振子間增加附加的小反射板，利用這兩個反射板的有機結合控制波束變形，達到寬頻帶的要求。圖3是1207MHz頻點和2492MHz頻點的天線單元方向圖仿真結果。

4 測向天線圓陣設計

天線陣采用圓陣設計，均勻圓陣干涉儀測向天線的陣元數(shù)量設計依據(jù)是數(shù)學意義上不存在測向模糊，理論已經(jīng)證明滿足設計條件的是5陣元以上的奇數(shù)陣元和8陣元以上的偶數(shù)陣元。綜合陣列孔徑、工作頻帶和相位模糊，本文采用7陣元設計。

天線陣列的整體尺寸和單元間距的設計依據(jù)頻率范圍、互耦影響以及相位模糊進行。按照最低頻率1180MHz計算，天線單元間距為半波長，則間距為(c?f)/2 =12.7cm。將已設計完成的天下單元在仿真軟件HFSS中建模。

表1 天線組陣仿真結果

Gain 1180MHz圖4 天線增益仿真結果

天線組陣后，通過仿真考核單個天線單元的導航頻點性能指標，結果如表1所示。

天線仿真圖如圖4所示。

5 問題及改進

由天線單元仿真和天線陣列仿真結果對比可知，獨立的天線單元波束寬度大于120°，而組陣后相同的天線單元波束寬度小于120°，主要是天線單元間互耦影響。

天線互耦問題的主要解決途徑是增大天線單元間距和對天線單元采取抑制互耦措施。由于天線單元間距是按照半波長設計，增大間距會產(chǎn)生相位模糊而且增大了整陣的尺寸，不符合設計要求。需要對天線單元設計采取抑制互耦措施。

本文主要對天線單元采取缺陷接地結構抑制互耦，缺陷接地結構與電磁帶隙結構類似，在天線單元接地面上蝕刻出單個或者少量的單元結構來改變電路襯底材料的有效介電常數(shù)，從而改變電路的分布電感及電容。依據(jù)設計原理，在天線單元間增加正方形缺陷接地結構，優(yōu)化仿真結果如表2所示。

表2 天線組陣優(yōu)化仿真結果

天線仿真圖如圖5所示。

Gain 1180MHz圖5 天線增益優(yōu)化仿真結果

采取缺陷接地結構優(yōu)化天線陣列仿真，天線單元波束寬度增大，基本達到120°要求，抑制互耦效果明顯。

6 結束語

針對衛(wèi)星導航干擾信號特點，本文從相關干涉儀測向原理出發(fā)，提出了一種均勻7陣元圓陣測向天線的設計。按照寬帶和寬波束要求，給出了天線單元設計以及組陣設計仿真，通過仿真結果比較，在保證信號帶寬以及無相位模糊的前提下，采用缺陷接地結構優(yōu)化設計，降低了互耦影響，展寬了信號波束。設計的測向圓陣天線陣列性能指標能夠應用于衛(wèi)星導航干擾信號測向。

[1] 劉建華，王慕璽．一種具有穩(wěn)健匹配性能的九陣元干涉儀基線配置[J]．無線電通信技術，1999, 25(1): 8-10

[2] 毛虎，楊建波，劉鵬．干涉儀測向技術現(xiàn)狀與發(fā)展研究［J］．電子信息對抗技術，2011,25(6): 1-6

[3] Schmidt R O. Multiple Emitter Location and Signal Param-eter Estimation[J].IEEE Transaction. AP,1986,34(3): 276-280.

[4] 張偉華，鄒芳，張文明．通道間幅度相位不一致性對干涉儀測向精度的影響和解決方法[J]．電子與信息學報，2007,29(5): 1240-1242

[5] 龔享銥，袁俊泉，蘇令華．基于相關干涉儀陣列多組解模糊的波達角估計算法研究[J]．電子與信息學報，2006,28(1): 55-58

Design of GNSS Interference Direction Finding Antenna

Song Haitao, Zheng Xiaodong, Fan Guangwei
(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang, 050081)

The basic principle of satellite navigation interference signal interferometer direction finding is analyzed, broadband and wide beam antenna element design and simulation is given, aiming at the need of unambiguous direction fi nding and reducing mutual coupling, a 7 element uniform circular array direction fi nding antenna is designed.

Interference Direction Finding; interferometer; array antenna;mutual coupling

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.08.002

TN911文獻標示碼：A

1672-7274（2017）08-0005-04