干涉仪测向天线侧向误差偏大问题的处理

2011年第3期通 信 对 抗· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· · 通 信 对 抗· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· · 通 信 对 抗· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· · 通信测向既是通信对抗领域中的一个独立科学技 术分支，又是通信对抗侦察技术的一个重要组成部分， 广泛应用于战场电子态势感知和通信干扰[1 ]。高精度是 对测向系统的基本性能要求之一[2 ]。相位干涉仪测向机 是目前实际应用最广泛的测向机，其基本原理是利用 不同测向天线在同一时刻接收到的信号相位差与信号 的到达方位、俯仰角的对应关系，通过计算得到信号的 方向[3 ]。相关干涉仪是一种基于最小二乘准则，采用相 关匹配运算的相位干涉仪，既可避开较为复杂的解模 糊问题，直接求解出来波的入射方位角，又能在测试 环境恶劣、相位差波动较大的情况下保证较高的测向 准确度。为了能无模糊地确定电磁波的入射方向，至少 需要三个天线单元。三单元天线阵主要用于 30MHz以 下频段测向，可通过增加天线、布置各种阵型提高在更 高频段的测向精度。圆形阵列，尤其是均匀圆形阵列， 比较适合较高频段测向，具有以下突出优点：1）天线单 元之间的互耦情况相同；2）与支撑天线阵的桅杆互耦 最小；3）测向精度与来波方向无关；4）具有圆对称性，其 干涉仪测向天线侧向误差偏大问题的处理 邵福才，李 晨，张卓鸿 （解放军驻北京地区军事代室，北京 100191） 摘 要：针对某相关干涉仪测向系统验收过程中出现的问题，首先根据相关干涉仪测向原理，对该 系统在低频段测向精度低于产品指标要求的现象进行了分析，初步找出了产生故障现象的原因；其次 在实验室对故障现象进行了仿真演示，确定了故障部件；最后对系统进行了优化设计，并进行了外场试 验验证，切实提高了该系统的性能。 关键词:相关干涉仪；测向精度；误差 Phase Accuracy Error Analys is of Correla tive Interferometer Direction Finding System SHAO Fu-cai, LI Chen, ZHANG Zhuo-hong (Military Representative Office in Beijing, Beijing 100191,China) Abstract: Considerring the problem of the correlative interferometer system that occured during the mil- itary inspection and acceptance, this paper firstly analysed the phenomenon of the unideal phase accuracy error in the lower frequency band according to the theory of correlative interferometer direction finding (DF), and found out the reason that brought about the phenomenon. Secondly, the fault phenomenon was simulated and demonstrated in the laboratory, and the fault part was confirmed. Finaly, the system design was improved and verified in the outfield experiments. The system performance was improved well and truly. Keywords: correlative interferometer; phase accuracy; error 收稿日期：2011-03-17 1 引言 COMMUNICATION COUNTERMEASURES 通 信 对 抗2011年第3期 总第115期 No.32011 Sum.115 · ·总第115期 · ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· · 方向图在阵列盘面上电磁旋转扫描时波束的形状不会 有太大改变。可见，均匀圆形阵列相关干涉仪测向系统 兼有优越的结构特点和良好的测向性能，这使其在军用 和民用领域均有广泛应用[4 ]。 在此背景下，某课题设计研制了基于五阵元圆形天 线阵列的相关干涉仪测向系统。测向精度是相关干涉仪 的最重要指标，但在验收过程中发现：该系统在 30～ 40MHz频段，其测向精度指标只有约 30%的测试值符 合技术指标要求，20%的测试值仅仅接近技术指标要 求，其余 50%的测试值远远低于技术指标要求。针对该 实际问题，本文根据相关干涉仪测向原理，采用理论分 析、仿真实验和外场试验相结合的方法，逐层分析故障 原因，分步锁定故障部件，并对该系统进行了优化设计， 提高了系统性能。 2 问题分析 该系统的测向天线为单层的 5 阵元均匀圆阵，和 测向开关阵一体设计，覆盖 30～500 MHz频率范围。 验收工作在某机场进行，环境温度 36℃，相对湿度偏 高。被测天线架设在中型转台上，架设高度约 18 米。 信号发射天线设在距离测向天线约 400 米处，架设高 度约 6米，收发通视。通过对测试结果分析发现，该系 统在 30～40MHz频段内，测向误差随方位基本呈正弦 规律变化，如表 1所示。 结合测试结果，针对该型相关干涉仪测向系统低频 段测向精度较低的问题，采用以下步骤进行了故障分析 和故障部件锁定： 1）更换其它测向天线进行测试 在同样的情况下更换其它同批次测向天线，测试结 果满足要求，因此确认误差不是由测向接收机和外界环 境引起的，初步分析测向天线本身的 5个振子可能在装 配过程中有个体差异。 2）对测向天线进行全面检测分析 首先对测向天线阵的结构尺寸进行了测量，确认 天线阵尺寸误差在指标范围内。其次，使用矢量网络 分析仪测试天线振子的有关指标。以参考路天线振子 作为参考，测试 5 路天线振子的驻波一致性，测试数 据见图 1，5路天线振子的驻波一致性较好，基本排除 天线问题。 通过数据分析发现 5路接收信号的幅度均正常，而 第 5路信号相对于参考支路的相位差在 30～40MHz时 相对较低。0度方向的 4组相位差见图 2。 如图 2所示，第 5路的相位差曲线在低端有异常。 初步判断可能是由测向开关阵第 5路引起的相位误差， 进而对天线的测向开关阵部件进行检查。 3）在实验室内对测向开关阵进行检测 使用矢量网络分析仪对测向开关阵 5路通道的一 致性进行测试比较，发现在 30~40MHz频段，第 5路通 道的测试数据与其它 4路通道测试数据之间存在 15° 左右的相位偏差。具体测试数据见图 3。 基于上述数据考虑，确定可能是测向开关阵通道电 路的分布参数存在差异，从而造成较大的相位误差。 3 测向开关阵优化设计 通过上面的逐步分析发现测向开关阵通道电路的 表1 30~40M Hz频段的方位误差 理论 方位 0° 27° 54° 91° 147° 171° 203° 241° 297° 337° 误差 4.3° 0.6° 4.7° 6° 0.8° 6.5° 12.6° 1.3° 5.9° 11° 图1 测向天线5振子驻波一致性测试数据 图2 0°时天线4路相位差测试数据 图3 测向开关阵5路间一致性测试数据 邵福才，等：干涉仪测向天线侧向误差偏大问题的处理 45 2011年第3期通 信 对 抗· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· · 通 信 对 抗· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· · 通 信 对 抗· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· · 图4 自校路与天线路电路图 图5 电容值为240pf时实测相位曲线 图6 调整后测向开关阵5路间一致性数据 分布参数可能存在差异，而在实际电路中自校路与天线 路之间只有一个耦合电容，电路图如图 4所示。 对电路中的可能引起相位差变化的器件进行分析 仿真计算，结果显示，通路中耦合电容的电容值变化对 通道相位影响较大。随即进行了试验验证，安装与电路 中耦合电容电容值（240pf）相同的电容，通过仪器观察 到在 30MHz频率下相位变化了 11°，增益变化了 0.5dB， 在 500MHz频率下相位和增益基本无变化，与实际出现 的现象基本吻合。实测相位数据见图 5。 人为模拟电容值发生变化，将电容值更改为 1000pf 时，在 30~500MHz全频段内,相位和增益基本无变化 通过试验得出结论：耦合电容对通道的相位影响较 大，对增益影响较小，所以当耦合电容值选择不当时，通 道间的幅度差变化不大，但相位有较大偏差。 根据试验结果，我们认为应该是电路设计时耦合电 容值选择不当，造成了该系统在 30~40MHz频段测向误 差大。调整电容值后，实验室测得的 5路相位差数据基 本一致。调整后测向开关阵 5路间一致性数据见图 6。 整改完成后，在原机场近似测试条件下对该天线进 行了外场测试验证，测向精度满足技术指标要求。 4 结束语 相关干涉仪测向算法应用了相关处理方法，特别适 用于现代数字处理技术，普遍应用于干涉仪测向天线。 该型干涉仪测向天线尺寸小、重量轻、架设快捷简便，宽 频段测向效果好，广泛应用于多型电子对抗装备。通过 分析研究验收中发现的细微现象，找出了装备测向精度 达不到指标要求的根本原因。该系统测向开关阵中耦合 电容值对通道相位影响较大，对增益影响较小，尤其是 对频率低端的相位影响比高端影响大。通过优选耦合电 容，保证了装备全频段测向精度，提高了装备整体性能。 参考文献 [1] 栗苹，赵国庆，杨小牛，等.信息对抗技术[M ].北京：清 华大学出版社，2008. [2] 侯印鸣.综合电子战：现代战争的杀手锏[M ].北京；国 防工业出版社，2000. [3] Barton D K，LeonovSA.RadarTechnologyEncyclopedia [M ].USA：ArtechHouse，1998. [4] 季宇.均匀圆阵列测向技术研究[D].西安西安电子科技 大学，2009. 作者简介 邵福才（1965-），男，高级工程师，1988年毕业于解放军 电子工程学院电子系，2004年获解放军电子工程学院军事学 硕士学位，2005年获装备指挥技术学院军事硕士学位，现主要 从事装备的质量监管工作。 李 晨（1977-），男，工程师，1999年7月毕业于国防科 技大学炮兵学院；2005年获武汉通信指挥学院硕士学位，现主 要从事装备的质量监管工作。 张卓鸿（1971-），男，工程师，1990年毕业于解放军信息 工程学院，1999年获解放军后勤指挥学院硕士学位，现主要从 事装备的质量监管工作。 46