极化对GPS干扰效果影响分析

傅亦源,于 鹏,焦 斌

(中国人民解放军63880部队,河南洛阳471003)

0 引言

随着GPS在军事领域的应用越来越广泛,GPS对抗也日趋激烈[1]。不论采用何种干扰样式,都需要通过天线耦合,使干扰信号进入敌方GPS接收机,使干扰有效。为获得良好干扰效果,设计干扰机天线时必须使其极化特性与GPS接收天线极化特性一致。

目前,GPS接收机天线大多采用圆极化微带天线,这里的圆极化指微带天线主轴方向上的极化特性。实际应用中GPS接收机为了接收卫星信号,接收天线主轴垂直向上。而干扰机使用时,相对敌方GPS接收机较远,干扰信号一般不从主轴方向,而是从侧面进入GPS接收天线,如图1所示。因此需要考虑GPS接收机微带天线侧面的极化特性,选择合适的干扰信号极化方式,以获得良好干扰效果。

为了描述方便,本文中假设电场平行于微带天线表面的信号为水平极化;电场垂直于微带天线表面的信号为垂直极化。

图1 GPS干扰态势图

1 圆极化微带天线的极化特性

微带天线以重量轻、成本低、结构紧凑和易于共形等特点已获得了越来越广泛的应用。尽管圆极化天线形式各异,但产生机理万变不离其宗[2]。本文以图2中的结构为例进行分析。

分析微带天线有传输线理论、腔模理论、格林函数法、矩量法和时域有限差分法(FDTD)等方法。对于矩形、圆形等规则形状的微带天线的工程计算,多采用腔模理论[3]。

图2 圆极化微带天线

图2是贴片边长为a、介质基片厚h、相对介电常数为εr、馈电点为 c、d的圆极化微带天线。

根据腔模理论,作如下假设：

①在 c、d 处加恒流电源Jzx=1、Jzd=e-jπ/4;

②微带贴片外表面电流为零;除了激励点外所有微带边缘上法向电流为零;

③在微带贴片和接地板之间,电场仅有Ez分量,磁场只有 Hx、Hy分量,所有场量仅是 x、y的函数,而与z坐标无关。

从图2中可以看出,对应于 c、d2个馈电点中的任意一个,谐振时微带天线的本端和对端等效磁流是同相的,而侧壁的磁流则两两相反。利用二元阵得到c、d 2个馈电点的相应主极化辐射场为：

式(1)中的 V0c=hEzc和式(2)中的 V0d=hEzd=hEzce-jπ/2,为谐振时2个输入端口的输入电压;k为自由空间传播常数,a为贴片宽度,θ为干扰信号入射方向与Z轴夹角。

总的合成场为：

根据式(1)、式(2)、式(3),计算得到微带天线不同辐射角上的水平极化分量与垂直极化分量的关系如图3所示。从图3中可以看出入射角 θ小于54.73°时,垂直分量小于水平分量;入射角 θ大于54.73°时,垂直分量大于水平分量。

图3 微带天线水平极化分量与垂直极化分量比较

当信号从侧面进入天线时,也就是 θ=90°,结合式(1)、式(2)、式(3)得到微带天线侧面辐射电场：

直角坐标系与球坐标系的变换矩阵为：

从式(5)中可以看出,当 θ=90°,也就是在水平面上,有 θ⌒=-z⌒,电场 E→h只有z⌒分量,微带天线的极化特性成为垂直极化方式。根据天线互易定理,天线的接收极化特性与其发射极化特性是一致的。因此主轴上为圆极化的微带天线,当接收侧面入射的信号时,其极化特性为垂直极化。

当侧面入射的干扰信号为垂直极化,干扰信号可以通过GPS接收机天线进入到接收机处理单元;如果干扰信号为水平极化,GPS接收机接收到的干扰信号将很小,甚至接收不到干扰信号,导致干扰失败;如果干扰设备采用圆极化天线,将圆极化信号分解为垂直分量和水平分量,GPS接收机天线可以接收到垂直极化分量,而无法接收水平极化分量。为了得到相同的干扰效果,圆极化干扰信号强度需要比垂直极化大3 dB。

对于其他形式的圆极化微带贴片天线,也都工作TM01和TM10模谐振,因此在侧面只存在电场Ez分量,同样表现为垂直极化特性。

2 载体的影响

现代战争中,越来越多武器平台加装GPS设备。对这些目标进行干扰时,需要考虑载体平台金属面对干扰信号产生的影响。影响主要体现在2个方面：

①遮挡影响。载体遮挡面较大时会有明显的遮挡效益。载体尺寸或遮挡面面积较小,与GPS信号工作波长接近时,干扰信号可以通过绕射方式传播,载体的遮蔽影响可以用几何绕射理论分析,本文不做详细分析;

②反射影响。载体的金属表面在电磁波的作用下会感应出电流,并向空间产生二次辐射。在GPS接收天线附近的空间里除了原来的信号外,还有载体表面电流产生的次级场,天线接收到的是这2个场的矢量和。因此天线安装在载体上的方向图与自由空间中的天线方向图不同。

研究载体金属面对GPS天线电性能的影响比较复杂,本文用镜像法近似分析。假设一个基本电振子垂直放置在无限大的理想导体平面上,其导体上半空间的场可以等效为由源以及对称位置上的镜像叠加形成。载体平面对天线方向图的影响可归结为求解天线及其镜像组成的二元阵的阵函数问题。

不同天线的镜像如图4所示。垂直振子的镜像为正镜像,振子及其镜像组成了一个等幅同相二元阵,天线接收增益变大;水平振子的镜像为负镜像,振子及其镜像组成一个等幅反相二元阵,天线接收增益变小。因此对于水平入射的垂直极化信号,安装在载体上的微带天线接收到的信号比自由空间大,而接收水平极化信号能力将进一步减弱。

图4 线天线及其镜像

结合上述对圆极化微带天线的分析可以得出：对于天线水平方向入射的干扰信号,微带天线表现为垂直极化特性,对垂直极化信号接收效果较好,对水平极化信号接收效果差。当GPS接收天线安装在载体上后,对天线水平方向入射的垂直极化信号接收效果有增强的作用,而对水平极化信号接收效果有进一步削弱的作用。对于圆极化信号,可以分解为水平极化和垂直极化,垂直极化分量增大,而水平分量进一步减小。

3 试验结果

试验采用单个GPS圆极化微带天线分别接收侧面入射的同等辐射功率的垂直极化、水平极化以及圆极化干扰信号,测试并记录接收的干扰信号功率。然后将GPS接收天线安装在某载车顶部,天线主轴垂直向上,干扰信号从GPS接收机天线侧面入射,测试并记录不同极化形式干扰信号功率。测试结果如表1所示,单位为dBm。

表1 不同极化干扰信号接收功率

从测试数据可以看出,对于单个微带圆极化天线,接收到的侧面入射的垂直极化信号功率最大;圆极化信号比垂直极化小2.7 dB;水平极化信号比垂直极化信号小5.61 dB。说明圆极化微带天线接收从侧面入射的水平极化干扰信号能力弱。

当天线安装在载车上后,对垂直极化干扰信号,比安装前的测量值增大了3.16 dB;对于水平极化信号,比安装前的测量值减小了6.56 dB;对于圆极化干扰信号,比安装前的测量值增大了2.33 dB。测试情况与理论分析一致。

天线安装在载车上后,接收到的垂直极化信号最大;圆极化信号比垂直极化小2.83 dB,与理论值3 dB接近;水平极化信号接收功率比垂直极化信号小15.33 dB。

4 结束语

通过理论分析和试验结果可以看出,圆极化微带天线接收侧面入射信号时,其极化方式为垂直极化,接收垂直极化干扰信号效果明显。受GPS天线安装载体的影响,天线加装后接收侧面入射的垂直极化信号能力增强,接收侧面入射的水平极化信号能力减弱。因此在设计GPS干扰系统时,天线应优先考虑垂直极化方式,也可以采用圆极化或45°斜线极化,若采用水平极化干扰信号,由于极化不匹配,将导致干扰效率大为降低。

[1]谭显裕.GPS用于军用导航中的抗干扰和干扰对抗研究.电光与控制[J].2000,11(4)：23-28.

[2]薛睿峰,钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展[J].电波科学学报.2002,17(4)：331-336.

[3]刘克成,宋学诚.天线原理[M].长沙：国防科技大学出版社,1989：159-160.