超短波无线电测向系统抗干扰能力评估方法研究

国家无线电监测中心 王敬焘

一、引言

在超短波频段，无线电技术应用最为丰富，频谱资源最为紧张，电磁环境也最为复杂，因而维护好超短波频段的电波秩序、保证合法用户的权利和频谱资源的有效利用，成了各级无线电管理机构的重点工作任务之一。在此频段最常使用的无线电管理技术装备即为超短波无线电测向系统，它在干扰查找和日常任务执行当中发挥了不可替代的重要作用，因而其性能的优劣，尤其是抗干扰能力的好坏将直接影响到无线电管理部门执行任务的质量和速度。

二、系统概述

超短波无线电测向系统是指固定架设或临时架设在某一较高地理位置，对在附近一定区域内工作的、在30MHz～3000MHz频段的无线电信号辐射源进行测量并显示信号方位等测量信息的无线电测量系统，它一般由测向天线、测向信道接收机和测向终端处理机三部分组成（见图1）。

测向天线通常包括天线单元和天线信号前置预处理器两部分。天线接收无线电信号，且含有各阵元间的幅度差或相位差信息。天线信号前置预处理单元对定向天线单元中各天线元输出的射频信号进行预处理，保证定向天线单元输出的电压与来波方位或空间角度之间有稳定的幅度或相位关系。

测向信道接收机用于对测向天线输出信号进行选择、放大、变换等，使之适应后面测向终端处理机对信号的技术要求。根据测向方法的不同和测试需要，测向接收机可以选择单信道、双信道或多信道接收机。通常双信道接收机采用共用本振的方式，以确保多信道之间相位特性的一致性。

测向终端处理机包括方位信息处理与显示单元及监控单元，包括A/D转换、高速DSP及工控机。方位信息处理与显示单元将测向信道接收机输出信号中所包含的来波方位信息提取出来，并进行分析处理，最后按照指定的格式和方式显示出来。监控单元对测向天线、测向信道接收机、方位信息处理与显示单元等各部分的工作状态进行监视与控制。

三、主要性能指标

对测向系统性能指标的描述有很多参数，从技术角度分析，可以归纳为以下几个方面：

（1）测向灵敏度。也称为测向接收灵敏度，指在规定的测向误差范围内，测向系统能测定辐射源方向的最小信号的场强或功率。它是一个与允许测向误差有关的指标，在给出测向灵敏度指标的同时，还要注明所容忍的测向误差。

（2）测向精度。也称测向准确度，指测向系统测得的来波方向与被测辐射源的真实方位之间的角度差，一般用均方根值表示。测向精度越高越好，或者说测向误差越小越好。

（3）工作频率范围。是指测向系统在正常工作条件下，从最低工作频率到最高工作频率的覆盖频率范围，也称为测向系统的频率覆盖范围，在此范围内要不低于标称的工作指标。

（4）处理带宽和频率分辨力。不同体制和调制样式的无线电通信信号，通常占据不同的信号带宽，这就要求测向信道接收机能够选择不同的处理带宽与之相适应。频率分辨力是衡量测向系统从频率上选择区分两个相邻近信号的能力，主要取决于测向系统的最小处理带宽或信道接收机中频选择带宽的最小值，以及其中频滤波器的矩形系数。

（5）抗干扰性。测向系统抗干扰性指标包括两个方面的内涵：一个是衡量测向设备在有干扰噪声的背景下进行正常测向的能力，通常用测向设备在正常测向条件下所允许的最小信号来衡量。另外一个就是衡量测向系统在干扰环境中选择信号、抑制干扰的能力，它用有用信号与干扰信号同时进入测向信道接收机时所允许的最大信干比来衡量。

（6）时间特性。测向系统的时间特性指标通常用测定一个目标信号的来波方向所需的最短时间来衡量，或用每秒钟所完成的测向次数来描述，包括测向设备截获目标信号后的信号建立时间与获取方位数据所需的最短处理时间。

（7）可靠性。是衡量测向系统在各种恶劣的自然环境条件下无故障正常工作的质量指标，它包括对工作温度范围的要求、对湿度的要求、对冲击振动的要求，同时还包括工作电源标准和波动范围、系统联网工作能力、系统开展工作的易操作性及自动化程度等方面。

（8）极化误差。指当测向系统接收的电磁波不是单一极化方式的电磁波，即测向天线与入射波的极化平面有一定的角度差，入射波中包含水平极化分量和垂直极化分量时，产生的测向误差。这主要是由于所用的天线体系对垂直分量和水平分量接收的方向特性图不同造成的。

四、测向系统抗干扰能力分析

1. 当前抗干扰能力指标的不足

从当前超短波频段测向系统衡量指标来看，测向系统的抗干扰能力是衡量系统在复杂电磁环境情况下，设备性能优劣的一项极为重要的指标，也是最关键的指标（见图2）。当前有关于测向系统抗干扰能力的测试多是在环境存在干扰的情况下，无线电测向系统能够保持其对待测信号测向准确度的能力。根据干扰信号频率是否落在测向设备中频通带的不同，分为带内测向抗扰度、带外测向抗扰度，均是基于存在小信号干扰为前提的，此时测向系统能够对所测辐射波信号进行测向，并达到规定的测向准确度时可以允许的两信号的差值。显然，两信号的差值越小，表示测向设备的测向抗扰度越佳。

在实际工作中，利用两套指标相近的测向系统对正常信号测向时，表现出来的性能无太大差别。但在复杂的电磁环环境中，尤其是存在大信号的情况下，表现的测向效果差别很大。特别是对于配有有源天线的测向天线来说，这种差别非常明显，有时候还是致命的，导致在大信号环境中根本无法工作。

因此，目前测向系统抗干扰能力指标的测试已经不能够反映系统性能的优劣，必须采用一种新的方法来衡量测向系统的性能。

2. 接收机抗大信号能力的启示

在监测接收机测试中，其中一项指标是监测系统产生虚假响应的概率即监测系统的失真率。分析监测系统产生虚假信号的重要原因是射频前端存在多信号接收现象，且信号强度较大，导致射频前端进入非线性工作区域。要降低接收机的的失真度，就要控制多信号同时进入接收机前端，即控制接收机前端射频宽度，选用窄带接收机，具有高的RF选择性。设法减少射频接收电路和接收机前端器件的非线性，增加它们的线性动态范围，不仅要提高接收机的线性动态范围，更要提高天线和射频矩阵等射频接收电路的线性动态范围。监测系统的线性接收能力主要通过监测系统二阶互调截点、三阶互调截点等参数来描述。

接收机中用IP2和IP3可以很顺畅的表达其抗失真能力，一个很重要的有利条件就是当其输入两个功率量纲的参数时，其失真后的特征仍可用功率来表示，这样就可在闭路环境中顺利测量，无太多悬念。但对于测向系统来说，当输入的是两个功率量纲参数时，失真特性表征出来的参数只能是测向精度，无法和输入参数具有相同量纲，因此在此领域一直无特别恰当的参数来评估。同时，大家以前对测向系统的测向精度和灵敏度更关注，也就是对小信号环境更关心，所以也就忽略了测向系统在大信号环境中的工作能力评估了。

3. 对新的抗干扰能力指标的考虑

我们可以引入接收机测量互调能力的方法，问题的关键就是如何在输入功率和输出测向角度之间找到一个合适的参数，解决二者的量纲问题，则测向系统抗失真能力的评估问题就可以解决。为此，在测向系统中，我们也引入此概念，即在有较强干扰信号的情况下，由于测向系统的非线性原因在接收前端产生互调信号，当互调信号到达一定强度时，测向系统将会对互调信号给出示向度。具体示意图见图4。

按图4所示，第一次测试利用信号源产生f1信号，此时测向系统会给某一临界示向度；第二次用该信号源和另一个信号源发射f1+3B和f1+6B信号，则在f1或f1+9B上会出现互调信号，同样也会产生示向度。只要调整信号源的输出功率，让互调信号的示向度和第一次一样，均为临界数值，测试查验两次信号源的功率差值，即为测向系统抗大信号能力的特征参数。此数值可称为测向系统的互调抑制度，数值越大越好。同时，为简化测量模型，主要考察对三阶一型互调信号的抑制能力。

五、测向系统互调抑制度的测试

对于超短波无线电测向系统互调抑制度的测试可以按如下方法开展：在测试场地中，发射系统1和发射系统2的配置相同（含天馈系统），方位位置相同，但高度要有所差别，以增加空间隔离度；且发射系统天线到被测系统天线之间的距离不小于5λ，λ指被测系统最低测试频率的波长。

1. 测试步骤

（1）设置被测系统的测向带宽为B，测向频点为某一测量频点fi；设置发射系统1输出为标准单载波信号，频率为某一测量频点fi。逐渐调整发射系统1输出功率，直到被测系统在fi产生偏差为б（б一般取3°）的示向度，记录此时发射系统1的输出功率P1。

（2）保持测向系统设置不变；调整发射系统1的工作频率为某一测量频点fi+3B，调整发射系统2的工作频率为某一测量频点fi+6B，设置发射系统2输出为标准单载波信号。在恰当的输出功率条件下，二者会在被测系统产生一个频率为fi或fi+9B的三阶一型接收互调信号；同时调整两个发射系统的功率，直到被测系统在fi或fi+9B产生偏差为б（б一般取3°）的示向度；

（3）记录此时发射系统1的输出功率P2。发射系统1的输出功率P1和P2之间的差值（以dB为单位）即为测向系统互调抑制度。此数值越大，则表征被测系统的抗互调能力越强。

2. 测试注意事项

在构建测试系统时，由于满足被测系统出现互调信号的条件是必须在测试系统接收端有大信号出现，而且两个大信号应该尽量纯净，因此在构建测试系统及测试时，应特别注意以下几点：

⊙ 测试场地应地面平坦，周围没有高大遮挡物，大小

至少要有20λ长和15λ宽，以便形成开阔场。

⊙ 发射系统1和发射系统2的配置应相同，并要对其输出功率进行校准补偿，使两者分别发射时，被测系统天线处接收到的信号强度相同，以满足互调信号的产生条件。

⊙ 发射系统中配备的功率放大器应确保其性能指标要符合要求，特别是其谐波输出、杂散输出和互调抑制等指标，以确保到达被测系统时的信号为两个纯净的信号，互调信号的产生是由被测系统本身的非线性原因产生的而不是由发射系统互调产生。

⊙ 为避免产生发射机互调信号，如条件允许，可在功率放大器和发射天线间加单向隔离器，阻止信号由天线进入相邻功率放大器内部，切断发射机互调产生的途径。同时，为确保是接收机互调信号，应采取技术手段对目标信号加以验证。

⊙ 在测试中，由于属于是开场测试，信号衰减很大，发射系统1和发射系统2发射的信号频率不能相差太大，一般取被测系统测向带宽B的3倍即可（测向带宽一般选择10kHz～15kHz，如果被测系统不支持该范围内的测向带宽，则选择大于该参数的最近数值），这样产生互调信号的条件较容易满足。同时，还要注意避开空中干扰信号。

六、结束语

通过实际测试，当发射系统1和发射系统2的发射信号达到一定功率时，被测系统由于自身的非线性原因将会产生互调信号，并给出示向度，验证了测试方法的有效性。根据测试的结果，可对超短波无线电测向系统抗干扰能力即抗大信号能力进行衡量和评估，为超短波无线电测向系统的设计生产和性能评估提供有力的技术依据。