（电子科学与技术专业论文）宽频带比幅比相测向系统天线的设计.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a bs t r a c t ad i r e c t i o nf i n d i n gs y s t e mb yc o m p a r i n ga m p l i t u d ea n dp h a s ei ss t u d i e di n t h i s t h e s i s sk i n do fd i r e c t i o nf i n d e rh a ss e v e r a la d v a n t a g e s s u c ha sf a s ta n da c c u r a t e d i r e c t i o nf i n d i n ga n dh i g ha n t i c l u t t e ra b i l i t y t h ea n t e n n aa n dm o d ef o r m i n gn e t w o r k f o rd i r e c t i o nf i n d e ra red e s i g n e da n dm e a s u r e di nt h i st h e s i s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s h o w sg o o da g r e e m e n tw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fd i r e c t i o nf i n d e rb yc o m p a r i n ga m p l i t u d ea n dp h a s ei s s t u d i e d b a s e do nt h i sp r i n c i p l e ，t h ed i r e c t i o nf i n d e r sa n t e n n aa n df e e dn e t w o r ki sg i v e n ， w h i c hc o n t a i n st w op a r t s ：f o u ra r m ss i n u o u sa n t e n n aa n dm i c r o w a v em o d ef o r m i n g n e t w o r k s e c o n d l y f u r t h e rs t u d ya b o u tf o u ra l m ss i n u o u sa n t e n n ai sc a r r i e do u t t h e g e o m e t r ys t r u c t u r ea n dc a p a b i l i t yo fa n t e n n aa r ea n a l y z e da n daf o u ra l m ss i n u o u s a n t e n n aw h i c hw o r k sa t0 4 一乏0 g h zh a sb e e nd e s i g n e d t h eo p t i m i z e dg e o m e t r y p a r a m e t e r so ft h ea n t e n n aa leg a i n e dt h r o u g he l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n t h e nt h e v s m 己a n dr a d i a t i o np a t t e r ni sm e a s u r e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w sg o o d a g r e e m e n tw i t l lt h es i m u l a t i o nr e s u l t t h i r d l y t h ed e s i g no fm i c r o w a v em o d ef o r m i n g n e t w o r ki sc a r r i e do u t u g ht h ea n a l y s i so ft h ef o u ra l m ss i n u o u sa n t e n n a w o r k - m o d e s ，ad u a lp o l a r i z e dm i c r o w a v em o d ef o r m i n gn e t w o r ki sp r o p o s e d t w o p r i m a r yc o m p o n e n t so ft h en e t w o r ka r ed e s i g n e d ：u l t r a - b a n do r t h o g o n a ld i r e c t i o n a l c o u p l e ra n do r t h o g o n a lp h a s es h i f t e r m u l t i - s e c t i o n so f f s e ts t r i pc o u p l e d - l i n ei sa d o p t e d i nt h ed e s i g no ft h ed i r e c t i o n a lc o u p l e rw h i c hh a sb e e nr e a l i z e da n dm e a s u r e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l to fp h a s es h i f t e ri sp r e s e n t e di nt h et h e s i s i nt h ee n d t h ed i r e c t i o n f i n d i n gc a p a b i l i t yo ft h i ss y s t e mi sa n a l y z e d k e y w o r d ： f o u ra l m ss i n u o u sa n t e n n a s ，m i c r o w a v em o d ef o r m i n gn e t w o r k ， o r t h o g o n a ld i r e c t i o n a lc o u p l e r , p h a s es h i f t e r 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院硕七学何论文 图目录 图2 1 幅度比较单脉冲方向图5 图2 2 相位比较测向天线6 图2 3 天线与目标的方位关系7 图2 4 四臂正弦天线的辐射方向图7 图2 5 和差模接收信号相位与目标方位角关系9 图2 6 测向系统不同的算法电路示意图10 图2 7 四臂正弦天线1 1 图2 8 四臂正弦天线的模式形成电路1 1 图3 1 基本正弦对数曲线1 3 图3 2 正弦天线的一个臂1 4 图3 3 正弦天线的四个臂1 4 图3 4 四臂正弦天线的激励模式1 7 图3 5 模式简并示意图1 8 图3 6 四臂正弦天线的线极化1 9 图3 7 天线馈电点与天线臂的连接方式2 0 图3 8 四臂正弦天线的c s t 模型2 1 图3 9 天线0 4 g h z 和模与差模仿真方向图。2 1 图3 1 0 天线o 7 g h z 和模与差模仿真方向图2 2 图3 1 1 天线1 - 2 g h z 和模与差模仿真方向图2 2 图3 1 2 天线1 6 g h z 和模与差模仿真方向图2 2 图3 1 3 天线2 0 g h z 和模与差模仿真方向图2 3 图3 1 4 天线的和模输入阻抗仿真结果2 4 图3 1 5 天线的差模输入阻抗仿真结果2 4 图3 1 6 四臂正弦天线实物照片2 5 图3 1 7 同轴线束馈电线模型2 6 图3 1 8 同轴线束馈电线尺寸2 6 图3 1 9 渐削同轴线束模型2 7 图3 2 0 渐削同轴线束示意图2 7 图3 2 l 微带阻抗变换馈电线2 8 图3 2 2 微带阻抗渐变微带线尺寸2 8 图3 2 3 天线吸收背腔截面图2 9 图3 2 4 天线的驻波2 9 图3 2 5 测量系统结构3 0 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 图3 2 6 天线0 4 g h z 和模差模方向图3 1 图3 2 7 天线0 5 g h z 和模差模方向图3 1 图3 2 8 天线0 6 g h z 和模差模方向图3 1 图3 2 9 天线o 7 g h z 和模差模方向图3 1 图3 3 0 天线0 8 g h z 和模差模方向图3 1 图3 3 l 天线0 9 g h z 和模差模方向图3 1 图3 3 2 天线1 0 g h z 和模差模方向图3 2 图3 3 3 天线1 1 g h z 和模差模方向图3 2 图3 3 4 天线1 2 g h z 和模差模方向图3 2 图3 3 5 天线1 3 g h z 和模差模方向图3 2 图3 3 6 天线1 4 g h z 和模差模方向图3 2 图3 3 7 天线1 5 g h z 和模差模方向图3 2 图3 3 8 天线1 6 g h z 和模差模方向图3 3 图3 3 9 天线1 7 g h z 和模差模方向图3 3 图3 4 0 天线1 8 g h z 和模差模方向图3 3 图3 4 1 天线1 9 g h z 和模差模方向图。3 3 图3 4 2 天线2 0 g h z 和模差模方向图3 3 图4 1 四臂正弦天线的和模馈电网络3 5 图4 2 天线馈电点示意图3 6 图4 3 带状线宽边耦合3 7 图4 4 定向耦合器的串接3 7 图4 5 对称与非对称多节耦合线定向耦合器3 8 图4 6 耦合器设计流程3 9 图4 7 定向耦合器模型4 1 图4 8 定向耦合器耦s 参数4 l 图4 9 定向耦合器耦的耦合度4 l 图4 1 0 耦合端口与直通端口相位差4 2 图4 1 1 定向耦合器实物4 2 图4 1 2 定向耦合器直通系数数与耦合度4 3 图4 1 3 定向耦合器反射系数与隔离度4 3 图4 1 4 耦合端口与直通端口相位差4 4 图4 1 5s c h i f f m a n 差分移相器4 4 图4 1 6 不同p 值的耦合线相移量4 5 图4 1 7s c h i f f m a n 移相器的相位响应4 5 图4 18s c h i f f m a n 改进型移相器4 6 图4 。1 9 改进型s c h i f f m a n 移相器的相位响应4 6 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 天线设计参数0 2 0 表4 1 五段式8 3 4 d b 定向耦合器各段奇偶模阻抗4 0 表4 2 五段式8 3 4 d b 定向耦合器各段耦合线尺寸4 0 第v i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图4 2 0 改进型s c h i f f m a n 移相器的相位误差4 7 图4 2 1 改进型s c h i f f m a n 移相器模型4 7 图4 2 2 改进型s c h i f f m a n 移相器仿真结果4 7 图5 1 和模与差模方向性函数的幅度差a f ( o ) 与秒的关系4 9 图5 2 归一化差模方向图曲线轴向一阶导数5 0 图5 3 天线的差模轴向零深51 图5 4 正弦天线测量姿态5 1 图5 5 和模差模的相位差与秒的关系5 2 图5 6 天线测量姿态的变化5 3 图5 7 和模差模的相位差与9 的关系5 3 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 童麴鲎出蝠出担型自丕统丞绫鲍遮进 学位论文作者签名：趣盗笙日期：柳g 年，月s 日 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 宽麴堂出蝠出担型囱丕统丞垡鲍遮进 学位论文作者签名：燃日期：硼年，f 月石日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 自从赫兹( h e r t z ) 与马可尼( m a r c o n i ) 发明了天线以来，电磁波便开始以实际形式 进入到人类的生活。如今随着电子与通信技术设备的飞速发展，各种电视信号， 通信信号，雷达信号等电磁信号充斥着我们所在的空间，人类已经生活在一个被 电磁波包围的环境中。在如此复杂的电磁环境中间，我们有时需要确定电磁波的 来源方向，这种需求促进了一项技术的产生：无线电测向。比如在民用方面，无 线电管理部门需要通过无线电测向探测干扰源的方位；在军用方面，各种反辐射 导弹、电子侦察机均需要准确确定辐射源的方向。 事实上，电子侦察测向已经成为军事电子对抗领域的一个重要组成部分，因为 准确的电子侦察测向是电子对抗的一个重要前提。在复杂电磁环境中，各种电磁 信号的数量众多，体制多样，复杂而多变，时域上、频域上密集。因此要求电子 测向设备能适应复杂电磁环境，接收和提供处理的目标信号范围越广越好，信号 分选和选择能力越强越好，而且将“干扰信号抑制的越干净越好。根据这些要 求测向设备应采用单脉冲体制。 单脉冲体制测向系统的研究始于2 0 世纪5 0 年代，目前已经广泛应用于各种 测向雷达中。单脉冲体制测向法，只要一个脉冲信号，就可以给出目标角位置的 全部信息，这就是“单脉冲测向 这一术语的来源。因为在单脉冲系统中，只用 一个脉冲来测向，所以信号的振幅起伏不会对角坐标的测量精度产生影响，而且 这种体制的雷达测向速度快，抗干扰能力强，便于进行信号处理和计算机控制， 适用于弹载、机载等对测向雷达的作用距离、跟踪速度和精度有极高要求的场合。 单脉冲体制的测向系统采用多波束天线，可以同时提供多路接收信号。其测向 原理就在于用两个以上的独立支路同时接收目标信号，然后再将这些信号加以比 较，从中提取参数确定目标角位置。单脉冲测向可以分为三种基本的方法：幅度 比较测向法、相位比较测向法、幅度相位比较测向方法。 可以通过多个天线组阵实现多波束，也可以通过多模天线的和差模式实现多 波束。无论那种情况，都希望天线的工作频带尽量宽，体积尽量小，并且能实现 多种极化。天线性能的优劣将从根本上决定整个测向系统技术指标的好坏，因而 研究超宽带的侦察测向天线直受到世界各国所重视，在军事国防领域有广泛的 应用。 本文设计的比幅比相测向天馈系统由四臂正弦天线与超宽带微波模式形成网 络组成，采用幅度相位比较单脉冲体制测向。作为被动侦察测向系统的一种实现 形式，以其良好的性能受到各国电子装备研究人员的关注，无论是用于机载还是 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 弹载侦察导航测向，必将有越来越广泛的应用。 1 2 国内外研究应用现状 比幅比相测向天馈系统由超宽带天线与微波模式形成网络两部分构成，这里 将分别介绍这两部分国内外的研究现状。 1 超宽带天线的研究现状 2 0 世纪5 0 年代以前，天线的带宽一般不大于2 ：1 ，直到v i c t o rh r u m s e y 于 5 0 年代提出了非频变天线的概念【1 1 ，超宽频带天线的发展才取得了突破性的进展。 非频变天线原理是：若天线的形状仅由角度来决定，则天线具有非频变的阻抗和 波瓣图特性。 非频变天线主要包括最初的双锥天线，j o h nd d y s o n 所提出的平面对数螺旋 天线和圆锥螺旋天线【1 1 ，r h d u h a m e l 与d w i g h ti s b e l l 所研究的对数周期天线1 1 1 ， 以及r h d u h a m e l 于1 9 8 5 年提出的正弦天线【2 1 。这些天线的研制成功将天线的带 宽扩展到4 0 ：1 或者更型3 i ，带宽的进一步扩展其实受到天线物理尺寸的限制。 上述原理非频变天线叙述的较为简单，实际工作中，许多研究人员已经总结 出了天线产生宽频带的特征： 1 ) 突出角度而不是长度。螺旋天线与正弦天线都避免了固定的长度单元而产 生了宽频带。 2 ) 自互补结构。自互补结构有利于天线产生非频变的阻抗特性。 3 ) 粗导体。增加谐振式天线如振子天线的线径可以增加其带宽。双锥天线是 个无限粗振子天线，也满足角度条件，因此具有宽频带。 理想情况下，非频变天线应该具有以上三种特性。但在实际中发现成功的宽 带设计是突出这些特征，但不需要严格坚持所有这些特征。如对数周期天线偏离 了自互补原理仍然具有宽频带特性。通常这样做的损失是阻抗将随频率变化，这 在很多场合可能不是一个严重的问题。 平面螺旋天线于2 0 世纪5 0 年代就已经提出，但由于对天线带宽需求的影响， 这种天线直到7 0 年代才开始得以重视，在这之后的3 0 多年里，这种形式的天线 飞速发展，广泛应用于反辐射导弹的导引头和卫星通信方面。国内近年已经开始 对此类天线的研究，应用前景十分广泛。 国内对对数周期天线的研究相对多一些，原因可能是这类天线的制作工艺相 对简单。最初这类天线可以通过普通的金属导管的焊接就可以完成，随着印刷电 路板技术的发展，有研究人员采用光刻印刷技术来制作对数周期天线，使得这类 天线的体积更小，一致性更高，这也是对数周期天线的发展方向之一。 正弦天线的提出时间相对较晚，但其发展速度十分迅速。从性能上讲，正弦 天线与平面螺旋天线非常接近，但正弦天线能够提供更为灵活的极化应用，两对 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 相反的天线臂可以提供正交线极化，可以用于极化分集或发射接收工作。将各臂 的输出组合起来可以同时产生左旋圆极化( l h c p ) 和右旋圆极化( r h c p ) 。而平 面螺旋天线只能形成一种圆极化。 平面正弦天线同时向天线平面两侧辐射能量，大多数的应用场合只需要一个 单方向的波束，通常采用的办法是用金属吸收背腔将其另一侧的辐射吸收掉，但 这样必然会降低天线3 d b 的增益，并且由于引入一个固定物理长度( 吸收背腔的 高度) 因此改变了真正的非频变性能。文献 4 1 提出了圆锥形式的正弦天线，即天线 附在一个圆锥形状的物体上，可以使正弦天线只向一侧辐射能量。正弦天线由多 臂组成，从而需要多路馈线，这通常增加了设计的难度。文献【5 1 提出了缝隙正弦天 线，有效减小了馈电线的数量。 2 微波模式形成网络的研究现状 微波模式形成网络是很多天馈系统的一个重要组成部分，其主要由电桥、移 相器、阻抗匹配段等微波元件组成。实现形式可以采用波导、同轴线、微带或带 状线等形式。其发展方向是：超宽带化、小型化、集成化1 6 1 。 微波模式形成网络的带宽是很多雷达系统的技术瓶颈，设计超宽带的微波模 式形成网络一直是各国技术人员的研究重点；小型化的要求则是为了满足机载、 弹载、星载系统的需求；集成化的微波模式形成网络的通道一致性好，幅相一致 性好，在很多应用上展示出了巨大的优势。 目前很多国内设计的微波模式形成网络体积大，集成度低，很多都是通过射 频电缆将各微波元件相连形成微波模式网络。由此带来的是插入损耗大、幅相不 平衡等缺点。此外模式形成网络的工作带宽比较窄，无法满足超宽带天馈系统的 要求。 随着计算机技术和电磁数值计算技术的发展，现在一般采用计算机辅助技术 设计微波模式形成网络。各种商业电磁计算软件的应用使得设计的周期缩短，设 计精度提高，同时降低了设计成本。 1 3 论文主要研究内容 本文进行了比幅比相天馈系统的分析和设计。论文主要包括四部分内容：( 1 ) 提出了天馈系统的设计方案，该方案由四臂正弦天线和模式形成网络两部分组成。 ( 2 ) 对四臂正弦天线进行了分析、设计与仿真，制作出天线实物，并对天线驻波 和方向图进行了测量，测量结果与仿真结果吻合较好。( 3 ) 进行了模式形成网络 的设计，并对模式形成网络的主要部件( 宽带正交耦合器与正交移相器) 进行了 设计，并给出了仿真和测试结果。( 4 ) 对该天线系统的测向性能进行了分析。 论文章节安排如下： 第一章为绪论，介绍了比幅比相测向系统的研究背景与意义，并分析了超宽带 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 天线与微波模式形成网络研究与应用现状。 第二章研究了测向系统天线和馈电网络设计方案。首先介绍了简单介绍了三种 形式单脉冲天线的测向原理，然后给出了四臂正弦天线的主要工作模式，以四臂 正弦天线为例详细阐述了如何通过其不同的工作模式实现幅度相位测向。并在此 基础上给出了多种的测向系统设计方案，分析各种方案的优劣，并选择了合适的 设计方案。 第三章进行了四臂正弦天线的设计。首先介绍了正弦天线的发展历史和优点， 详细说明了正弦天线的设计方法和步骤，并分析了天线的电性能，全面介绍了四 臂正弦天线的各种工作模式，并给出了仿真结果。在天线的馈电线和阻抗变换线 的设计上，综合考虑了各种方法的优缺点，并提出了微带形式的馈电线结构，这 种形式的馈电线同时实现了阻抗变换线的作用，并且在工作频带内达到了驻波比 要求。测量天线的电压驻波比、和模差模方向图，并做了相应的分析。 第四章进行了模式形成网络的设计。在分析四臂正弦天线的工作模式的基础 上，给出了各种工作模式下的天线的模式形成网络。对模式形成网络中的主要元 件3 d b 宽带正交定向耦合器和9 0 0 宽带移相器进行了分析和设计，制作出宽带定向 耦合器实物，并进行了测测试，测试结果与仿真结果吻合较好，满足设计要求。 最后给出了s c h i f f m a n 移相器的仿真结果。 第五章对测向系统的测向性能进行了分析。在实验数据的基础上分析了天线的 测向性能，主要包括天线的测角范围、测角灵敏度以及目标投影角的测量结果。 第六章为结束语，总结了本文的设计工作，对设计中的取得的成绩和存在的问 题进行了总结，并在此基础上，指出了今后的研究方向并做了相应计划。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第二章测向原理与设计方案 本文研究的比幅比相测向系统属于单脉冲体制的测向系统。单脉冲体制的测 向系统有很多优点，比如测向速度快、测角精度高，目前广泛应用于各种雷达、 无人机和反辐射导弹系统中。本章首先分析了单脉冲天线的测向原理，然后提出 了比幅比相测向系统的设计方案。 2 1 单脉冲天线测向原理 从2 0 世纪5 0 年代末期各国就开始研究单脉冲天线，至今单脉冲天线的实现 形式有很多，根据其工作原理，可以分为以下三种类型1 7 l ： l 。幅度比较单脉冲测向 幅度比较单脉冲天线有多个波束，各波束相互交叉，并且关于轴向旋转对称。 测向时利用各波束接收信号的幅度差值来提取目标的方向角位置信息。如图2 1 所 示，当目标正好位于天线轴向上时，各波束接收到的信号幅度相等；当天线偏离 轴向时，各波束接收到的信号幅度不相等。比较各信号的幅度，即可检测出目标 偏离天线轴向的角度。目标的角位置信息可以用俯仰角和方位角表示，故要确定 目标的角位置至少需要四个交叉波束。常采用四个单模喇叭天线或一个多模喇叭 天线来形成多波束。 9f 1 图2 1 幅度比较单脉冲方向图 2 相位比较单脉冲测向 相位比较单脉冲测向，是利用比较每个波束接收到的信号的相位来提取目标 的方向角位置信息。此时需要各波束相同且尽量平行，在天线的远区场，两个天 线都照射同一空间范围。由此由点目标辐射的信号到达天线时，幅度相同而相位 不同。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 天线1 l j l 一 图2 2 相位比较测向天线 如图2 2 所示，两天线的距离为l ，当目标位于天线轴向上时，两天线接收信 号的幅度和相位均相同；目标偏离轴向0 角度时，各波束接收信号的幅度基本相等 但相位发生了变化。天线与目标之间的距离为： r i - - r + 考s i n o ( 2 1 a ) r = r 一考s i n 8 ( 2 1 b ) 目标到两天线的距离差为： a r = 冠一局= l s i n 8 ( 2 2 ) 由此求得信号相位差为： 缈：2 x a i r ：丝s i n 8( 2 3 ) 力五 式( 2 3 ) 中a 为信号波长，通过两信号的相位差9 即可求得目标偏离角8 。但 是必须指出，当8 较大时，9 会超出+ 1 8 0 。的范围，从而出现相位模糊现象。为 了避免出现相位模糊，两天线之间的距离应该足够大，但过大的距离将使天线阵 的体积增大。与幅度比较单脉冲测向一样，目标的角位置信息可以用俯仰角和方 位角表示，相位比较单脉冲测向至少需要四个平行波束。常用四个平行放置的对 数周期天线形成多波束。 3 比幅比相单脉冲测向 比幅比相单脉冲测向是一种混合体制。它综合应用了幅度比较和相位比较来 测向。这种测向系统需要形成和波束与差波束，目标的俯仰角可以通过比较和差 波束幅度来确定，目标的方位角可以通过比较和差波束相位来确定。具体原理将 在2 2 节以四臂正弦天线为例说明。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 比幅比相测向原理 测向就是确定目标相对于测向系统的方位角，如图2 3 所示，测向系统位于 x y 平面，测向系统轴向为z 轴正向。因此只要确定目标轴向偏离角p 与目标在巧 平面上的投影角矽的大小，测向就完成了。本节以四臂正弦天线为例来说明比幅比 相测向原理。四臂正弦天线属于多模天线，测向时主要用到天线的和模与差模。 比较和模信号与差模信号的幅度可以确定轴向偏离角9 ，比较和模信号与差模信号 的相位可以确定目标投影角9 。 图2 3 天线与目标的方位关系 1 目标轴向偏离角口的确定 四臂正弦天线的和模方向图与差模方向图大致形状如图2 4 所示。由于四臂正 弦天线的旋转对称特性，天线的立体方向图将是旋转对称的。在天线轴向上，和 模方向图幅度将达到最大值，差模方向图幅度将趋于最小值，并且在偏离轴向时 迅速增大，这样就形成了一个“零深一。理想情况下，如果目标在天线轴向上，差 通道的输出将会是零。通过比较和模与差模的幅度大小，就可以确定目标偏离轴 向角秒的大小。下面具体分析测量原理。 9 09 0 图2 4 四臂正弦天线的辐射方向图 天线和差波束实际上是天线各臂的波束的合成，分析测向原理时必须从各臂 波束出发。假定天线相对两个臂波束的方向性函数完全相同，设为f ( o ) ，两波束 接收到的信号电压振幅为置，岛，并且到模式形成网络和端口时保持不变，两波 束相对天线轴线的偏角为万，则对于偏离天线轴线0 角方向的目标其和信号振幅为 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 垦= 巨+ 易= 彳最( 口) ，( 艿一目) + 彳e ( 秒) f ( 万+ 乡) = 彳e ( 乡) f ( 艿一p ) + f ( 万+ 口) ( 2 4 ) = 彳e 2 ( 口) 式( 2 4 ) 中，e ( 秒) 为发射和波束方向性函数，而f ( 万一p ) + ，( 万+ 秒) 为接收和 波束方向性函数，它与发射和波束方向性函数完全相同，a 为比例系数，它与雷达 参数、目标距离、目标特性等因素有关。 在模式形成网络差端口a 处，两信号反相相加，输出差信号。两信号到达差端 口时，他们的振幅仍为巨，易，但相位相反，故差信号的振幅为 瓦= i 巨一易i ( 2 5 ) 只与方向图的秒的关系用上述方法同样可以求得，即 瓦= a r z ( o ) e r ( 8 一口) 一r ( 8 + o ) j = 彳e ( 矽) 只( 秒) 、。 式( 2 6 ) 中，r ( 8 - o ) - p ( a + o ) 为接收差波束方向性函数，它与发射差波束方 向性函数瓦( 口) 完全相l - a j 。 现在假定目标的偏离角为秒，则差信号的振幅为 瓦- - = 彳e ( 秒) 冗( p ) ( 2 7 ) 当天线处于跟踪状态，口很小，将只( 乡) 在0 处展开成泰勒级数并忽略高次项， 则 只( 秒) 呒( o ) + 只( o ) ( 秒一o ) ( 2 8 ) = 只( o ) 口 、7 上式成立是因为天线在轴线上只( 0 ) = o ，将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) ，得 瓦刊呻荆例呻州器秒 ( 2 9 ) 彳e 2 ( 口) ，7 p 因为日很小，上式中最( 口) 最( o ) ，7 = 只( o ) e ( o ) 。从而差信号与和信号 之比瓦乓为 乏卅= 裂口 由式( 2 1 0 ) 可知，在一定的偏离角范围内( 跟踪范围内) ，差信号与和信号之比 e 区与偏离角秒成正比，且比例常数为只( o ) e ( o ) ，故可以通过氏乓来确定 e 的大小。实际跟踪测向中，希望厶垦对秒的灵敏度较高，也就是e ( o ) 疋( o ) 较 大，从而要求只( 0 ) 能尽量大，以获得较大的测角灵敏度。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 目标方位投影角矽的确定 目标在x y 上的投影角矿可以通过比较和模信号与差模信号的相位来确定。本 文将在第三章具体分析四臂正弦天线，此处直接引用一些结论。 四臂正弦天线和模激励信号在四个馈电点相位依次超前9 0 0 ，故天线各臂的电 流峰值相位依次超前9 0 0 ，将四臂作为整个天线看待时，在绕天线轴向旋转一周过 程中，和模电流的峰值相位也将变化3 6 0 0 ，从而和模波束的远区场相位也将变化 3 6 0 0 。如果将天线作为接收天线，当目标距离r ( 图2 3 ) 与轴向偏离角0 固定，目 标绕天线轴向旋转一周，即目标投影角9 从0 0 一- 3 6 0 0 变化时，和模接收信号相位 也将从0 0 一3 6 0 0 变化。 四臂正弦天线的差模激励信号在四个馈电点相位依次超前1 8 0 0 ，在绕天线轴 向旋转一周过程中，差模波束的远区场相位将将变化7 2 0 0 。将天线作为接收天线， 目标投影角从0 0 - - 3 6 0 0 变化时，差模接收信号相位将从0 0 - - - 7 2 0 0 变化。并且这 种变化是均匀连续的变化，可以用一次线性关系来描述，如图2 6 所示。 接 收 信 号 相 位 目标方位投影角9 图2 5 和差模接收信号相位与目标方位角关系 从图2 6 看到，对应于不同的目标方位投影角伊，和模信号与差模信号的相位 差将不同，并且相位差与矿成正比关系，在o o - 3 6 0 0 投影角范围内，相位差不会 出现相位模糊。因此，通过计算和模信号与差模信号的相位差可以确定目标的方 位投影角9 。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 3 测向系统设计方案 该测向系统目的是用于反辐射导弹或无人机的跟踪测向，主要指标与要求如 下： 1 ) 实现角度跟踪，有较高的测角精度 2 ) 对目标信号具有快速截获能力 2 ) 工作频带为0 4 , - - 2 g i - i z 3 ) 天馈系统能在一定范围内实现角度扫描 4 ) 提供给天馈系统的空间相对狭小 考虑到所设计的测向系统工作频带为0 4 , - - 2 g h z ，属于超宽带系统，以及可供 天馈系统利用的空间相对狭小并且要满足测向系统能实现角度跟踪角度扫描的特 性，本文在综合研究论证的基础上，确定了单脉冲比幅比相测向方案。该测向系 统主要由三个部分组成：四臂正弦天线、模式形成电路和波束形成电路。 根据算法实现电路的不同，有三种方案实现比幅比相测向系统：a 全射频，b 半射频半中频( 超外差) ，c 全中频。其具体实现电路如图2 7 所示： 丫m 射频模式形成电路 射频相位补偿电路 射频波束形成电路# 基 中频波束形成电路 乳全射频b 半射频半中频( 超外差) c 全中频 图2 6 测向系统不同的算法电路示意图 全射频实现方案中，没有对接收信号进行下变频，模式形成电路与波束形成 电路均在射频完成：半射频半中频方案中，模式形成电路在射频波段完成，然后 进行下变频，在中频进行和差波束的合成；全中频方案中，直接在天线之后进行 下变频，模式形成电路和波束形成电路均通过数字电路实现。 三种实现方案各有优劣。对于全射频电路而言：所有电路与天线均工作在射 频波段，可能会产生器件间( 如天线臂与混频器间) 的相互影响，这将最终影响 整个系统的测向性能。对于全中频电路而言：首先四路混频电路的一致性很难保 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 证，而且混频器在强密度信号情况下正常工作比较困难；其次在和差模式形成电 路之前进行下变频会破坏各路信号原有的相位关系。 综上所述，全射频实现方案和全中频实现方案由于其在制作、应用方面的局 限性，没有被广泛应用。本文采用了半射频半中频方案。这种方案有两个优点： 1 ) 在中频实现波束形成电路，避免了波束形成电路对天线辐射的影响。 2 ) 在模式形成电路之后进行下变频，保证了和模信号与差模信号相位的准确 性，降低了对混频电路的要求。 本文对该测向系统的天线和模式形成网络进行了研究和设计。该测向系统采 用四臂正弦天线。四臂正弦天线属于单脉冲天线，具有超带宽、全极化、单口径 等特点。作为测向天线时可以实现角度跟踪，具有较高的测角精度和测向速度， 同时这种天线体积较小，在导引头或无人机内可以实现角度扫描。本文第三章将 详细研究四臂正弦天线。 图2 7 四臂正弦天线 四臂正弦天线属于多模天线，可以同时工作在不同的模式，本文正是通过比 较和模信号与差模式信号的幅度和相位来进行测向。模式形成网络的功能就是提 供天线所需的激励模式。文献【1 1 】给出了四臂正弦天线的模式形成电路。本文第五 章将详细研究四臂正弦天线的模式形成电路。 a】a2a 3a 4 n 7 胃厶圜 图2 8 四臂正弦天线的模式形成电路 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 3 本章小结 本章首先介绍了简单介绍三种体制单脉冲天线的测向原理，然后以四臂正弦 天线为例详细阐述了比幅比相单脉天线的测向原理。 根据测向系统的指标和要求，提出了比幅比相测向系统实现方案，对实现该 测向系统的三种方案进行了比较，列出了各种方案的优劣，最终决定采用半射频 半中频方案实现测向系统。 本章最后简单介绍了测向系统中的天馈部分：四臂正弦天线和模式形成网络。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第三章四臂正弦天线理论分析与设计 d u h a m e l 于2 0 世纪8 0 年代首先提出正弦天线的概念 2 1 ，将其称之为“s i n u o u s a n t e n n a s 一。 正弦天线具有超宽频带、全极化、单口径、良好的输入阻抗和旋转对 称的方向图等特点。正弦天线与平面螺旋天线非常相似，但相比于螺旋天线，正 弦天线能提供更为灵活的极化应用。在反辐射导弹与反射面天线的馈源等应用方 面已经逐步取代平面螺旋天线。并在可以预见的未来，正弦天线在电子对抗领域 必将得到更广泛的应用。 本章对四臂正弦天线进行了全面研究。首先对其进行了理论分析，然后设计 出四臂正弦天线并进行了仿真和优化，最后给出了天线的实际测量结果。 3 1 四臂正弦天线的理论分析 3 1 1 四臂正弦天线的结构参数 正弦天线的基本形状如如图2 7 所示，四臂正弦天线的四个馈电点位于中心， 四条臂类似传输线，呈曲折状来回波动，工作时将激励起向外传输的行波，当电 流到达辐射区域，能量便以电磁波形式辐射出去，之后电流进入衰减区。对于工 作频带内的任意频率，天线上都存在传输区、辐射区和衰减区。 复杂的正弦天线是由图3 1 所示的基本正弦对数曲线经过旋转而得到的。在图 3 1 所示的极坐标系中，基本正弦对数曲线的形状只与角度常数口和比例常数f 有 关，其曲线由一系列的单元曲线组成，第p 个单元曲线的定义为： 图3 1 基本正弦对数曲线 y 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 纠- 1 ) 吖掣 f o r r isr s 哗 ， 其中，表示单元曲线的极坐标，半径足。由如下关系式确定。 r p = f p lr p 1 ( 3 2 ) 角度常数口和比例常数f 是设计参数，对于不同的单元p ，它们可以保持不变， 由此形成的基本正弦对数曲线将是半径对数i n ( r ) 的对数周期函数，称为对数周期 正弦曲线。如果设计参数口和f 是变化的，那么将形成一个准对数周期正弦曲线， 或者称之为渐变口f 曲线。以上两种单元曲线都属于正弦对数单元。 若由下式确定f 。： 。2 币1 - p 硕( 1 - r 习, ) f o r p 1( 3 3 ) 1 一( p 1 ) ( 1 一q ) 一 v “7 则每个单元曲线的径向长度相同。此外，如果取参数口。与p 无关，则曲线方 程为半径r 的周期函数，此时有 = 口s i n ( 1 s o p r ) f o r r p r r l ( 3 4 ) 式( 3 4 ) 中p 为单元的总数，并令墨= 1 ，这种类型的单元称为正弦单元。当f 接 近l 时，正弦对数单元与正弦单元的差别是非常小的，这一类曲线与阿基米德螺 旋曲线也非常相似。 将基本正弦对数曲线以原点为中心分别顺时针和逆时针旋转万角度，将得到两 条曲线，两条曲线所围的区域构成正弦天线的一个臂，如图3 2 所示。将一个正弦 臂围绕原点依次旋转9 0 。，即可得到4 臂正弦天线，如图3 3 所示。 厂 、 x y篇黼) 蝶嬲 溪 x y 图3 2 正弦天线的一个臂图3 3 正弦天线的四个臂 从上述四臂正弦天线的形成过程可以看出，正弦天线满足频变天线的原理。 在天线臂形成的过程中，突出的是角度常数和比例常数，天线臂内外半径只决定 了天线的工作频带的上下限。 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 3 1 2 正弦天线的性能参数分析 通过3 1 1 节的分析可知，正弦天线的结构参数有6 个：角度常数口，比例常 数f ，旋转角度万，天线臂内外半径r 。与墨，天线臂旋转次数n 。通常为了使各臂 不相交，且整个天线具有自互补结构，角度常数口和旋转角度万与旋转次数n 是 相互关联的。下面分析正弦天线的电性能参数与结构参数之间的关系。 1 天线的工作带宽 从辐射方式看，正弦天线属于行波天线，不同频率的电流在各臂传输，