六端口技术在波达方向估计中的应用

,2,3

(1.空军工程大学 导弹学院，陕西 三原 713800；2.西安电子科技大学，西安 710071;3.毫米波国家重点实验室，南京 210096)

1 引 言

信号波达方向(DOA)估计在雷达、声纳、通信、导航、医学和地震勘探等许多领域广泛应用。现代战争是在多目标、空情密集的复杂战场环境进行的，准确估计来波方向，从而为指挥和作战单位提供可靠的目标信息，是增强部队空情预警能力的关键技术，是“网络中心战”中充分发挥雷达探测效能的重要环节。如何准确估计来波方向，从而确定辐射源位置，显得尤为重要。近年来，随着波束形成技术、零点技术、空间谱估计技术的发展，DOA估计已取得了许多重大成果。而六端口作为一门新兴技术，已发展到应用于包括多普勒雷达、精确定位雷达、汽车防撞雷达、软件无线电技术、极化的测量、波达方向的估计等多个方面[1]。关于六端口在波达方向的应用陆续有文章报道，文献[2]对六端口进行多步校准后，根据功率计读数，估计波达方向；文献[3]仅用一个移相器对六端口进行校准，确立移相器位置与入射波相位差的关系，在X频段通过实验测量并验证波达方向，达到很好的一致性；文献[4]设计的六端口,其中两输入端口作为双通道接收，对输出信号进行模拟信号处理，根据模拟信号估计波达方向，并设计了S频段(2.45 GHz)的波达方向测试系统；文献[5]设计了双频带(S、C频段)测试模型，波达方向估计最大误差3%；文献[6]将六端口输出用空间谱估计方法，如MUSIC(Multiple Signal Classification)算法估计来波方向。

本文对基于六端口技术的波达方向估计进行了原理分析，归纳出六端口技术,以及与数字信号处理、模拟信号处理和空间谱估计相结合的4种情况，从各自的工作原理可以看出，4种情况都通过测量幅度测量代替相位测量，估计波达方向，且系统可以工作在较宽的频带[7]，具有一定的优势。

2 六端口技术基础

六端口技术在保持宽频带、高精度、自动化的前提下，直接采用合适的微波网络，用幅度测量代替相位测量，测量过程简单,并可以采用合适的校准程序来弥补硬件的非理想性，极大地降低了对微波元器件加工精度的要求[8]。六端口技术的核心是六端口电路，组成六端口电路的基本元件是3 dB定向耦合器(Q)、180°移相魔T(H)、二路同向等功率分配器(D)等，利用这些元件可组成几十种以上不同的六端口电路[9-10]，对不同的测量目标，可选用一种最合适的组成形式，既满足测量目标的要求，又使电路最简便。文献[11]报道了频带54～65 GHz六端口解调器能覆盖57～65 GHz宽带无线通信系统整个频率带。

图1是一种由混合接头Q和同相功分器D等构成的常用六端口电路，若将其两个端口分别接信号源和负载，其余4个输出端口接功率计，则其余4个端口的输出电压都可以表示成信号源产生的信号和负载反射信号的线性组合。因此,通过测量4个端口上的电压幅度或功率,便可得出信号源产生的信号和负载反射信号的幅度比及其相位差[12]。

图1 六端口电路Fig.1 Six-port circuit

令a5=a5ejφ5为信号源产生的信号，a6=a6ejφ6为负载反射的信号，则两信号复数比值为

(1)

(2)

(3)

从而反射系数为

Γ=I+jQ=a6a5(cosΔφ+jsinΔφ)=a6a5ejΔφ

(4)

图2 几何模型示意图Fig.2 The schematic plan view of the geometrical model

(5)

入射方向角可表示为

(6)

3 波达方向估计系统

六端口技术用于DOA估计的系统，有以下几种。

3.1 基于六端口的DOA估计系统1[2]

系统1结构如图3所示，是最早用于波达方向估计的,其组成主要包括天线、低噪声放大器(LNA)、移相器和六端口电路等。系统通过严格的自校准、已知标准校准和检波器校准，尽量减少通道误差，使功率读数P1～P4尽可能准确[13]，对特定波长的入射波，根据公式(6)中反射系数相位值与波达方向角的关系，取d为二分之一波长，消除模糊测角，对波达方向估计。情况1：改变天线方向，利用多组已知入射信号对系统校准，使不同方向对功率计的误差减小，从而对来波方向进行估计；情况2：固定天线通过移相器改变相移量，校准功率计读数随相移量不同的误差，对波达方向估计，精度会有所降低，这是因为输入信号不仅仅通过天线接收，还有部分信号从电路中耦合进去以及低噪声放大器等元件的非线性效应使得功率检波器因增益饱和、谐波的产生等原因而变得不精确。

图3 六端口的DOA估计系统1Fig.3 The DOA estimation system 1 based on six-port technology

3.2 基于六端口的DOA估计系统2[3]

系统2是将六端口输出信号通过数字信号处理，来进行DOA估计。波达方向的测量验证系统如图4所示，信号经两接收天线接收，输出经过六端口、检波器、换算网络分析仪送到计算机处理得两信号相位差，并利用两输入信号相位差和式(6)，建立两输入信号比值(包括幅度比和相位差)与来波方向角的关系，就可估计来波方向，图中增加信号源、辐射天线、电梯控制器是通过实际坐标位置和相应测量结果验证该方法的准确性。通过IEEE 488总线由计算机控制脉冲电动机驱动发射天线位置，实验测量两输入端口的相移变化和发射天线位置改变的相移基本上一致的，偏差小于0.42%[3]，充分证明了六端口测量波达方向的可行性与精确度。

图4 六端口的DOA估计系统2Fig.4 The DOA estimation system 2 based on six-port technology

3.3 基于六端口的DOA估计系统3[4-5]

系统3主要包括六端口和模拟信号处理。测试结构如图5所示，首先对两RF通道进行误差校准，设定波束到达角θ=0，调节通道1中的初始可调移相器，使示波器显示位于X轴上，即反射系数Γ的虚部为零，消除了通道误差。

图5 六端口的DOA估计系统3Fig.5 The DOA estimation system 3 based on six-port technology

其测量原理是：来波信号经两天线接收单元接收，通过低噪声放大器对信号进行放大，输入到六端口电路两输入端，四个输出信号通过检测、放大和处理，送到示波器，由式(4)可知，如果反射系数Γ的虚部Q为零，则两输入信号是同相的[14]，即来波方向垂直于接收天线。可通过两种简单可行的测量方案进行波达方向估计：一种是利用控制元件调节可调移相器得到Q支路最小值点的移相器相位，并比较初始相位校准时的相位差，根据式(6)进行计算从而得到波束方向；另一种就是让整个波达方向测试系统或者仅接收天线在水平面内旋转，测试Q支路的最小值点(位于x轴上)对应的方向即为波束方向。

3.4 基于六端口的DOA估计系统4[6]

图6 六端口的DOA估计系统4Fig.6 The DOA estimation system 4 based on six-port technology

系统4如图6所示,将六端口的输出用超分辨估计方法进行波达方向估计。每个天线的输出yk(t)连接到六端口的一个输入端口，另外一个端口连接本振信号LO(t)，六端口输出信号可表示为

xk(t)=yk(t)/LO(t)

(7)

图中用三天线阵是为了消除测角模糊，设相邻两天线单元间距为d,对于第i个信源相邻天线相位差为

(8)

假设空间有n个信源，每个信源可表示为

Si(t)=ξi(t)exp(jωct)

(9)

式中，ξi(t)=Aiexp(jψi)是基带信号；ωc=2πfc，fc是载波频率；Ai、ψi分别是信号i的幅度和初始相位，则天线接收的信号可表示为

(10)

由LO(t)=ALO(t)exp(jωt)，结合式(7)可得六端口输出信号为

(11)

将上式化成矩阵形式为

x(t)=AS(t)+n′(t)

(12)

以上4种DOA估计依次是六端口技术自身，以及与数字信号处理、模拟信号处理、空间谱技术结合相应用的模型。在这4种模型中，第一种最简单，但测量精度最低；第二种比较复杂，要充分利用计算机的技术，精度能得到保证；第三种是一个比较理想的模型，工程实现容易，测量过程简单，测量精度也能满足要求；第四种用超分辨算法估计，系统比较复杂。

4 六端口应用于波达方向的优势与不足

传统的波达方向估计如比幅法测向需要时序控制进行模数转换，不易精确控制，且各通道失衡容易引起较大的误差；多普勒测向需要消除幅度、相位和频率调制信息对测向结果的影响，增加系统复杂度。基于六端口的波达方向估计对接收的信号直接解调得到中频信号，不需混频器，用功率读数通过数学方法直接取得复数的测量结果进而估计来波方向，设计合适的六端口电路可以在确保结构简单的前提下实现宽频带工作[7]，并可以通过六端口电路严格的校准，消除通道误差，使测量精度进一步提高。现代超分辨波达方向估计具有很高的精度和分辨率，但还满足不了现实的需求，因为其工程实现比较困难，也达不到经济性、抗毁性等要求[15]，而六端口波达方向估计工程实现要相对容易许多。但六端口技术也不是尽善尽美，相对于空间谱估计技术，它的精度和分辨率还比较低，对一个波束内的几个目标、相干目标等估计能力欠缺，工作带宽也还不能完全满足现实需要。现代雷达、通信等对波达方向估计要求也越来越严格，研究具有低复杂度高性能的波达方向估计方法具有紧迫的现实意义。

5 结束语

本文总结了六端口技术在波达方向估计中的应用。基于六端口的DOA估计系统以六端口电路替代混频器，避免采用昂贵的超外差式接收机和鉴别器，通过六端口严格的校准，利用幅度测量值估计来波方向，测量精度高。而六端口电路可以由单片微波集成电路进行集成，使得DOA估计系统工程实现容易，实用性强，可以用于智能天线、测量辐射源的方向等。此外，六端口电路可以工作在多个频段，对现代雷达、通信等可以利用单个基于六端口技术的波达估计系统替代多个相位鉴别器的一般波达估计系统，大大简化装置。随着六端口电路的更深入研究，会不断给波达方向估计注入新的活力，基于六端口技术的波达方向估计系统拥有广阔的应用背景，具有很重要的研究意义。

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