射频仿真系统任意极化信号产生方法研究

江　桥

(解放军91404部队，秦皇岛 066001)



射频仿真系统任意极化信号产生方法研究

江桥

(解放军91404部队，秦皇岛 066001)

摘要：从当前雷达技术发展及雷达试验验证环境的现状出发，提出了任意极化信号产生的必要性，分析了任意极化的重要性，并通过极化控制理论推导控制公式，分析了2种极化控制方案的优缺点，最后通过仿真验证了任意极化控制模型的正确性。

关键词：射频仿真；任意极化；阵列控制

0引言

战场电磁环境日趋复杂恶劣，促使人们不断开发利用各种信息处理技术来提高传感系统的探测能力和感知能力。极化是电磁波除时域、频域和空域信息以外的又一可资利用的重要信息，充分挖掘极化信息为现代雷达探测系统性能的改善提供了广阔的空间。随着雷达极化测量技术的发展和人们对目标电磁散射特性认识的逐步深入，雷达极化学作为现代雷达技术的重要分支，取得了丰硕的研究成果，极大地推动了雷达技术的发展[1]。

越来越多的极化雷达相继研制成功并投入使用，对雷达试验验证环境提出了新的要求。传统射频仿真试验系统并不关心信号的极化特征，一般一次试验只能形成单一的水平极化或垂直极化信号环境。如何构建具有任意极化特性的复杂电磁信号、目标回波信号、干扰信号以及杂波信号环境，以适应现代新体制雷达电子战装备的内场仿真试验需求，是雷达、电子战内场射频仿真系统建设中亟需解决的问题。

1极化控制理论

极化是指在空间各点，以场强模值为长度、空间指向为方向所画出的场矢量的尖端随时间变化所描绘出来的几何轨迹[2]。

均匀平面波的电场和磁场同形，只是磁场和电场的方向是垂直的，工程上常用电场的几何状态来定义均匀平面波的极化状态。

如图 1所示,按右手法则建立平面直角坐标系,沿+z或-z方向传播的均匀平面波的电场可以由分别在x和y方向上的2个独立电场迭加而成[2]。不失一般性，可设A点的电场为:

E(A，t)=ixE1sinωt+iyE2sin(ωt+δ)

(1)

因而有:

Ex=E1sinωt

(2)

(3)

图1　坐标系

极化形式包括线极化、圆极化和一般椭圆极化。其中，线极化和圆极化分别为椭圆极化在轴比为1和∞时的特例，通常所说的水平极化和垂直极化又是线极化的特例。圆极化和椭圆极化还存在左旋极化和右旋极化的区别。IEEE规定：当观察者顺着电磁波传播方向看时，在传播路径的某个固定位置上，电场矢量随着时间顺时针旋转者为右旋，逆时针旋转者为左旋[3]。对于+z方向传播的均匀平面波，当0<δ<π时，就是左旋波；当-π<δ<0时，就是右旋波。对于-z方向传播的均匀平面波，则刚好相反。

因此，对单辐射源极化控制就转化为对两同频正交电场矢量的幅度和相位的控制。对于任意极化，都可以由极化椭圆方程来描述:

(4)

根据椭圆极化轴比和倾角的定义，解方程可得归一化功率控制关系为:

(5)

(6)

相位控制关系为:

(7)

式中:AR为椭圆极化的轴比;τ为椭圆极化的倾角。

2任意极化射频仿真系统设计

在射频仿真试验系统中，射频天线阵列由若干个如图 2所示的三元组组成，通过机械和电气校准，使各天线到阵列回转中心的相位一致。通过控制三元组各天线的信号幅度，使信号幅度重心在三元组内移动，从而实现任意轨迹目标的模拟。

图2　射频仿真系统三元组原理示意图

传统射频仿真系统中，天线辐射单元一般为水平或垂直单极化天线，或虽为双极化天线，但一次试验只能选通水平或垂直中的一路，不能对水平和垂直支路进行实时同步控制。将单辐射源极化控制理论应用于阵列射频仿真系统中，天线辐射单元采用双极化天线，通过增加前端阵列馈电通道数量，同时对三元组各天线的水平支路和垂直支路的幅度和相位进行控制，从而实现任意极化、任意轨迹目标的模拟。有2种阵列馈电方案可供选择，如图 3和图 4所示。

在方案1中，目标位置控制与极化控制单独进行，极化控制是在后端天线单元处实现的；每个射频馈电通道所需的幅相控制模块数量为“3+2×n”(n为阵列天线单元数量)。在方案2中，目标位置控制与极化控制同时进行，每个射频馈电通道所需的幅相控制模块数量为“2×3=6”。

图3　方案1阵列馈电原理框图

在阵列射频仿真中，幅相控制模块是系统中价格最为昂贵的器件。2种方案均能实现任意极化、任意轨迹的目标模拟，但从费效比来讲，方案2要比方案1大大节约建设成本。

图4　方案2阵列馈电原理框图

3任意极化信号的三元组合成

电磁场中的功率流密度，称为坡印廷矢量，表征了单位时间流过场中某点垂直于传输方向单位面积的能量:

(8)

坡印廷矢量的方向表征了信号的传播方向，坡印廷矢量的模表征了功率流密度值。

将文献[4]中的单极化电磁矢量方程应用到任意极化三元组天线单元。各辐射天线电场可表示为：

(9)

磁场可表示为:

(10)

代入平均坡印廷矢量公式:

(11)

可求得目标视在方位角φ、俯仰角θ以及合成场的极化形式。

经推导，经小角度近似后，任意极化三元组归一化幅相控制公式为：

(12)

(13)

式中：m为垂直极化支路幅度相对于水平极化支路幅度比值;Δa为垂直极化支路相对于水平极化支路相位差;m和Δa的具体取值由单天线单元的极化公式求得。

4仿真验证

以48mrad为例，分别选取不同倾角的斜极化、不同倾角和轴比的椭圆极化，对每种极化参数在三元组内任意取点10 000次，不考虑幅相控制误差，经统计可得阵列回转中心处合成场的目标位置模拟误差最大为0.008mrad，均方根为0.002mrad。目标位置模拟误差分布如图5和图6所示。

选取几组典型极化参数，控制误差如表 1、表 2所示。

通过仿真计算，可见采用本文所述任意极化信号产生方法，能够产生所需的任意极化、任意目标轨迹的信号，阵列回转中心处目标位置模拟误差和极化控制误差可忽略不计。

图5　目标模拟位置误差分布散点图

图6　目标模拟位置误差分布概率统计柱状图

表1　斜极化极化控制误差

表 2　椭圆极化控制误差

5结束语

射频仿真系统任意极化信号产生对构建具有任意极化特性的复杂电磁信号、目标回波信号、干扰信号以及杂波信号环境，以适应现代新体制雷达、电子战装备的内场仿真试验需求有着重要意义。

参考文献

[1]罗佳.天线空域极化特性及应用[D].长沙：国防科学技术大学，2008.

[2]徐永斌,何国瑜.工程电磁场基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，1992.

[3]张明胜.极化信息与变极化技术的研究[D].南京：南京理工大学，2005.

[4]毛继志,郭陈江,张麟兮,许家栋.幅相误差对射频仿真系统目标位置精度的影响[J].系统仿真学报，2003，15(8)：1149-1151.

Research into Random Polarization Signal Generation Method of RF Simulation System

JIANG Qiao

(Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)

Abstract:Starting from current status of radar technology development and radar experiment verification environment,this paper puts forward the necessity of random polarization signal generation,analyzes the importance of random polarization,and deduces the control formula through polarization control theories,analyzes the advantages and disadvantages of two polarization control projects,finally validates the correctness of random polarization control model through simulation.

Key words:radio frequency simulation;random polarization;array control

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.015

中图分类号：TN955.2

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)01-0072-04

收稿日期:2015-10-16