一种基于和差波束测角的地面站微波通信跟踪系统

摘要：在微波通信系统中，利用天线阵和差波束测角技术，可以计算远处发射电磁波目标的方位偏角。基于这一技术设计了一种地面站微波通信跟踪系统，当远处飞行目标进行水平运动时，天线阵列通过计算所得的目标偏角信息，利用伺服转台进行转动并始终保持天线阵列指向目标，最终实现对目标的跟踪通信功能。

关键词：微波通信;和差波束;天线阵;跟踪系统

中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1672-9129（2020）13-0071-01

1引言

当低空飞行目标与地面站进行微波频段通信时，通常采用GPS信号进行定位，从而引导地面站天线指向目标。但在GPS信号弱或者丢失的情况下，可能失去目标的GPS位置信息，导致地面站天线阵无法对准目标。为了解决这一问题，设计了一种地面站微波通信跟踪系统，利用天线阵和差波束测角技术，实时计算判断目标与天线阵列的方位偏角，从而控制伺服转台带动天线阵对准指向目标，实现对目标的跟踪通信效果。

2和差波束测角技术

在天线阵列中，当所有单元馈入等幅同相的信号时，波束会在法线方向合成单一峰值的和波束。当左右阵面的单元分别馈入等幅反相的信号时，天线波束会形成具有零深的差波束。

天线阵列单元（数量为n）如图1所示进行摆放，且假设天线单元都为理想半波振子。

将天线单元1幅度相位归一化为：E1=1。第2个单元为：E2=1*exp（-1j*2πdsinθ*/λ）。以此类推第n个单元为：En=1*exp（-（n-1）j*2πdsinθ*/λ）。

设计时n取偶数，天线阵列可以按中心法线分为对称的两个阵面。

那么，对于左阵有：PL=E1+E2+...+En/2，对于右阵有：PR=En/2+1+En/2+2+...+En，令P差=PL-PR，P和=PL+PR，则有：|P差/P和|=|tan（nπdsinθ/λ）|以及P差/P和=-jtan（nπdsinθ/λ）。

其中d为两个单元间距，上面说明通过和差波束幅度比值可以计算偏角|θ|的大小，通过和差波束相位比值可以确定θ在法线的左侧还是右侧。

3微波通信跟踪系统的设计

3.1微波天线阵列的设计。八木天线主要由半波振子、巴伦、反射器，以及引向器构成。半波振子是经典的辐射器形式，它将馈入的电磁波能量辐射到自由空间中，它有两条臂，其中一条臂接地，通常设计一个巴伦消除接地臂的不平衡性。引向器和反射器的作用是引导电磁波定向辐射，反射器通常较振子稍长，引向器通常稍短，且越靠近前端的引向器越短。将八个这样的天线单元按照半波長的间隔进行排列，就构成了一个八木天线阵列。

3.2和差信号双通道的设计。所设计的天线阵列从中心线可划分为左阵面和右阵面，左右阵面分别与左右功分器连接。左右功分器分别将从左阵面和右阵面接收到的信号能量进行合成，然后再馈入给和差器的两个接收端口。在和差器内，左右阵面的一半信号进行同相叠加，然后从和通道输出，左右阵面的另一半信号进行反向抵消，然后从差通道输出。从而构成了一个能同时形成和信号与差信号的双通道。

3.3跟控伺服转台。远处飞行目标发射的无线电信号被地面站的天线阵接收，形成和信号与差信号，通过滤波放大后，分别采集和差两路信号，并对这两路信号进行幅度值比与相位比值的计算，利用比值根据公式计算偏角θ，由此可得出远处目标相对于天线阵列法向的偏角θ信息，再将偏角信息反馈给伺服转台，并控制转台进行相应跟踪转动，就完成了伺服转台的跟踪和控制。

4通信跟踪系统实物

当目标进行相对水平运动时，地面站的跟踪系统不断采集和差信号，并进行比值运算计算目标的偏角θ，伺服转台根据θ值持续调整天线阵的指向，让天线阵列的指向始终正对通信目标，从而实现跟踪通信的功能。所研制的地面站通信跟踪系统实物图片如图2所示，它主要由主要由八木天线阵列，和差信号双通道，以及跟控伺服转台三部分组成。

5结语

基于天线阵和差波束测角技术设计了一种地面站的微波通信跟踪系统，当远处通信目标水平运动时，系统计算目标偏角并调整天线阵列跟踪对准目标，从而在丢失目标的GPS位置信息情况下，也能保证地面站与目标的通信效果。

参考文献：

[1]中航雷达与电子设备研究院. 雷达系统[M]. 北京：国防工业出版社，2005.

[2]崔炳福. 雷达对抗干扰有效性评估[M]. 北京：电子工业出版社，2017.

[3]Samuel M.Sherman，David K. Barton. Monopulse principles and techniques（second edition）[M].   Norwood，Massachusetts：Artech House，2011.

作者简介：伍举（1985--），男，汉族，四川遂宁，硕士研究生，工程师，工作单位：四川九强通信科技有限公司，研究方向：微波天线及微波通信技术。