基于定向天线阵辨向问题的工程应用研究

罗冰 唐力强 叶李超

（中国电子科技集团公司第三十六研究所 浙江省嘉兴市 314033）

1 引言

在实际的工程应用中经常将简单的天线类型（偶极子或单极子）根据特定的方式进行配置，排列成具有瞄准波束窄，带宽大等优点的天线阵[1-2]。通过对单元天线信号的相位特性进行调节便可调整控制天线阵的波束形状及波束指向，阵列孔径越大则测向精度和分辨力越好[3]，但实际工程中，因阵元个数限制，为增大阵列孔径，常采用稀疏布阵，常常伴随着角度模糊，空域覆盖不全等问题的出现[4]。

本文讨论一种安装有360 度旋转云台的4 元非均匀定向天线阵，在天线阵上增加一副全向天线进行双通道比幅测向获取目标大致方位，引导云台的转动让天线阵主瓣对准目标区域进行干涉仪体制测向，从而获得更高的探测精度和探测距离。

2 工作原理及天线阵组成

2.1 干涉仪测向原理

干涉仪测向是通过测量辐射信号到达接收天线时形成的相位差来确定信号的入射方位的[5-6]，两个天线阵元A 和B，信号在远距离外辐射，达到天线时近似平面波并以θ 角度入射。如图1所示，由于信号入射到A 和B 两阵元存在相位差可得：

图1：干涉仪测向原理图

式中：d 为天线A 阵元和B 阵元的距离，λ 为信号波长。当测得相位差时，便可反算出

由式（1）可知当AB 之间的距离d＜λ＜2 时，测向无模糊，当d＞λ＞2 时会产生模糊需要解模糊，采用长短基线法来解模糊获得更高精度，如图2所示，阵元A 和B 之前距离为d1，A 和C 之间距离为d2，且d2/d1=m，d1＜λ/2，d2＜λ/2，由于d2＞λ/2，A 和C 之间的相位差可有如下公式表示[7]：

图2：长短基线法原理

2.2 天线阵组成

天线阵采用非均匀定向天线线组阵，相比传统的圆阵有着更高的增益和探测距离，同时利用底部安装的云台，可使天线阵360 度旋转，让定向天线阵主瓣对准目标区域，满足360 度测向要求。

天线阵组成示意图如图3所示。主要由四副定向天线和一副全向天线组成。

图3：天线阵组成示意图

四副高增益定向天线组成干涉仪体制测向天线阵，负责对主波束范围内的信号进行高精度测向，当入射信号出现在定向天线阵非有效波束覆盖区域内时，利用天线5 与前四副天线做比幅测向来解模糊判断信号大致入射方位，并引导云台转动让高增益定向天线的主波束对准入射方向进行精确判断。

3 实际应用问题分析

当设定幅度差值，通过对比全向天线与四路定向天线最大值可判断信号是从反射板前方还是后方入射。但从图4中实测数据分析后发现当信号从反射板背面也就是180-210 度及330-360 度附近入射时，因两者幅度差值恰好符合信号从前面输入的情况，故容易误判为前面入射。

图4：170MHz/350MHz 实测方向图

分析原因，图3中可知嵌入在反射板的天线接收到信号的幅度值与安装在反射板上前面四副天线接收幅度值的差异值，虽可有效解决前后模糊问题，但当信号入射方向与反射板平行时，并不能有效分辨出从哪一侧入射，系统容易误判为正面入射，若信号判到主波束内，则容易产生虚警。天线5 采用全向天线体制设置，但由于嵌入在反射板中间天线组阵后天线间的遮挡以及耦合导致不圆度较差，且无法在一个小频段上使用同一个幅度门限值来划分。

3.1 布局优化

通过改变天线5 与前四路天线的布阵方式，将第五路天线按图5安置。

图5：天线5 上移安装示意图

通过组阵实测方向图如图6所示，将辨向天线5 安装在天线阵顶部，由于整个结构对其遮挡较少，其全方向幅度一致性较好，当利用四路定向天线测得信号幅度最大值与天线5 测得信号幅度差来解两测模糊时，能有效降低基线两侧20 度范围内的误判率。通过改变天线阵的方式能很大程度上优化在基线附近将反面误判成正面入射。

图6：170MHz/350MHz 实测方向图

3.2 辨向策略优化

通过布阵方式优化一定程度上解决了模糊特别是两侧模糊问题，但仍有小概率存在某些方位的模糊。显然只从幅度差值一个条件来判断线阵主波束外的入射方位。从图4和图6可知前四路定向天线主波束范围内一致性较好，其他区域一致性较差，故可其接收到的最大值和最小值的差值（一致性），通过将幅度差值和一致性同时作为判决策略，并根据各个频点设置一张幅度差值和一致性的门限表作为判决条件，例如表1所示。

表1：幅度差值和四路一致性差值门限表

根据门限表下发后，测试结果如图7所示，横坐标表示信号输入方位，纵坐标表示测向结果。

图7：测向结果（加辨向）

在线阵的有效区域内（主波束）正面法线方向±45°内，当信号从主波束以外的区域入射时，没有因辨向错误导致误判进有效作用区域内的虚警信号，即图7中横纵坐标45-135 度范围内没有混入其他点。

4 结论

在旋转云台上安装定向天线阵，即可弥补元阵增益不高，探测距离不远的缺点，又可弥补传统定向天线阵不能360 度全覆盖的短板，若将天线阵安装到移动平台，便大大增加了其灵活性。利用全向特性的辨向天线与定向天线进行比幅测向给出粗略的方位，引导云台转动使天线阵主波束对准目标区域进行高精度干涉仪体制测向，采用全向天线安装在正面上方作为辨向天线，运用比副和定向天线幅度一致性双重辨向策略能有效避免因误判导致的信号误认为在波束有效区域内出现的虚警现象。在工程应用中具有一定的指导意义。