第7章测向天线

第7章测向天线7.1概述7.2环形测向天线7.3爱德考克天线7.4沃特森－瓦特正交天线7.5角度计天线7.6锐方向天线7.1概述无线电测向就是利用无线电测量设备测定无线电信号的来波方向。无线电测向广泛应用于无线电频谱管理、航空管理、寻的与导航、野生动物追踪、电子对抗、业余无线电活动等方面。测向方法:（1）振幅法测向。利用天线的方向特性，根据天线感应电势的最大值或最小值进行测向。通过转动天线，当天线输出达到一个极值时，由天线指向确定来波方向。也可利用特性完全相同的两副天线和接收系统，对接收到的信号幅度进行比较来判定来波方向。因此幅度法测向可分为三类：最小信号法测向、最大信号法测向、比幅法测向。（2）相位法测向。电波到达两特性相同的天线元时，由于波程差使得它们接收到的电势之间存在相位差，通过测量按一定结构排列的两个以上天线元的接收电势的相位差可以确定来波方向。在实际应用的测向法中，干涉仪测向、多普勒法测向和时差法测向都属于相位法测向的范畴，下面简要介绍多普勒法测向原理。用一副移动的天线接收信号时会产生多普勒频移。如果天线绕圆周转动，则多普勒频移呈正弦变化，当多普勒频移为零时，天线在圆周上所处位置的法线即为来波方向，当多普勒频移最大时，来波方向与转动圆周相切。在实际应用中并不是高速旋转天线，而是采用准多普勒技术。将一个圆形阵列的固定天线顺序接入一台共用的接收机并顺序测量其相位。按顺序取样的数据提供各个角度上的感应多普勒频移。这样可等效于一根天线沿圆周运动。接收机输出信号经过鉴相，即可得到来波方位信息。（3）时间差法测向。电波到达接收天线的时间差与波程差成正比，利用3个测向站测出信号到达各站之间的时间差，即可得知辐射源到3站距离之差，进而可计算出辐射源位置。7.2环形测向天线7.2.1单环天线方框形圆形菱形（正方形或长方形）小环天线方向图（零辐射方向为环面法向）假设来波为垂直极化地波。小环垂直于地面，环面的法向为零辐射方向，在水平面的方向图为“∞”形，可以利用转动环天线使其零接收点对准发射台，这样便可以由天线转动角度来确定发射台的方位角，该方法称为最小信号法测向。利用零点测向的优点：在零点附近当电波方位变更时，天线接收电势大小的变化比较显著，从而提高测向精度。利用零点测向的缺点：对远距离微弱信号难以完成正常测向。方框形天线测向原理：x（θ＝0O）bazA’B’ABdOx（θ＝0O）θrΔyAA’BB’dθOθλπΔψcos2drk==2/1ψjEhee−=2/2ψjEhee=当时，⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=−=θλπcossin221djEheeeab⎟⎠⎞⎜⎝⎛=θλπθcossin)(dfθλπcos2Ehdjeab−=1/λdθθcos)(=F水平面方向图为“∞”形，与圆形环一致，环面法向为零接收方向。为了增大环天线接收电势，常采用N匝线圈结构的环天线，其接收电势近似等于单匝环天线的N倍。增大环天线接收电势的另一途径是在线圈中插入磁芯，形成磁性环天线，其接收电势正比于相对磁导率。7.2.2复合环天线环形天线水平转动一周，将有两个方向上是零接收点，这样在测向过程中会出现“双向”问题，所以为了进行“单向”判决，采用复合环天线。π/2移相双端变单端Σ)(te⊥)(teabzx（θ＝0O）ab复合环天线示意图水平面方向图立体方向图3060y90120150180210240270300330x(θ＝0O)复合环天线方向图7.2.3间隔双环天线环形天线有水平边，对非垂直极化电波有作用，因此只有在接收以地波为主要传播方式的电波时，才会有正常的“∞”形水平面方向特性。对于经电离层反射的短波，通常是椭圆极化的，水平边的接收将使得方向图不再是正常的“∞”形（称之为极化效应），而是要发生“小音点既偏转又模糊”现象。为此，采用间隔双环天线。共轴式共面式间隔双环天线示意图间隔双环天线本质是阵元为环形天线的等幅反相二元阵。在间隔双环天线的中间的对称平面上对任意仰角方向的来波都是零接收。因为不管是垂直极化分量还是水平极化分量接收，两个单环对应的输出电压都是等幅，而连接方式为反相，因此输出结果都是零，不受电波极化情况的影响。7.3爱德考克天线环天线的水平边会接收天波中的水平极化分量，从而将破坏天线正常的“∞”形水平面方向特性，那么是否可以将环天线的水平边去掉呢？平衡负载平衡负载U形H形爱德考克天线示意图1919年，F.Adcock提出了没有水平边的U形天线，以后又发展为H形天线。利用等幅反相二元阵方向函数可得爱德考克天线的方向图，天线中间的对称平面上接收为零，这是因为对称面上两振子间的波程差为零，而连接方式为反相，因而造成零接收。艾德考克天线方向图7.4沃森－瓦特正交天线环形天线和爱德考克天线采用最小信号法测向时，天线必须能够绕中心轴旋转，这使得测向系统工作时效性差。因此Watson-Watt提出了Watson-Watt测向方法。WSENeNSeEW沃森－瓦特正交天线θcosmSNee=θθsin)90cos(0mmEWeee=−=θθθφtancossintan====NSEWeeYX双信道接收机本振接收信道Ⅰ接收信道ⅡθeEWeNSNSEW搜索线圈7.5角度计天线WSENeNSeEWαcos0MMNS=ααsin)90cos(000MMMEW=−=ZeiNSNS=ZeiEWEW=可旋转的搜索线圈与固定NS线圈间的互感为其中M0为最大互感，α为搜索线圈与NS线圈夹角搜索线圈与固定EW线圈间的互感为流过EW线圈的电流为流过NS线圈的电流为通过互感耦合，固定线圈的电流使搜索线圈产生感应电势为：EWEWNSNSEWEWNSNSeMZjeMZjiMjiMjeωωωω+=+=()θαθαωsinsincoscos0+=ZeMjm()αθω−=cos0ZdeMjm来波方向与搜索线圈感应电压幅度的关系示意图N0oα90oES180oθ270oW来波方向搜索线圈前面的分析假设南北与东西天线对都满足dλ的条件，但在实际中为了保证测向灵敏度的指标要求，要适当增大d的取值，这将与前面的分析产生误差，称之为间距误差。理论分析表明，增加天线数目，可以减小间距误差，例如，用八个垂直天线元组成Roche天线，见下页：Roche天线结构示意图ΣΣΣΣNS线圈EW线圈搜索线圈δδN1S2S1E2E1N2W2W17.6锐方向天线前面介绍的几种天线，由于结构简单等特点，在短波和超短波无线电测向中获得了广泛的应用。但它们也存在两个方面的严重不足：一是对不同方位同时到达的多个同频或近频目标信号测向处理能力弱；二是对远距离微弱信号难以完成正常测向。由此我们引入具有尖锐方向特性的多元阵列天线，简称为锐方向性天线，其优点是：由于具有尖锐的方向特性，当天线接收某一方位的来波信号时，对其他方位的来波信号不接收，从而能将不同方位同时到达的多个同频或近频信号从空域上分离开来。另一优点是由于具有高的天线增益，因而能够接收远距离微弱信号。7.6.1均匀直线阵等分两组后的和差方向特性由于半功率波瓣宽度越小，测向精度越高，因此对于均匀直线阵，可以通过增大阵元间距d或增加阵元数N来减小波瓣宽度，但付出的代价是天线阵庞大复杂。为了提高测向精度，而又降低对阵元数N的要求，改进的方法是：将一个均匀直线阵等分为两组，利用两者取和与取差的方向特性。2N元均匀直线阵等分两组后的和/差输出结构示意图AB和差器dD＝NdV+V—θ2cos)(2)(ψθθnFf=+2sin)(2)(ψθθnFf=−)(θnF)(θ+f)(θ−f0o30o270o300o330o90o60o0o30o270o300o330o90o60o0o30o270o300o330o90o60o两天线组取“差”后的方向特性将的主瓣分裂成了两个波瓣，在这两个波瓣之间有一个零接收点，其附近区域有非常陡峭的变化率，根据这个零值接收点及其附近区域的变化来确定来波方位，可以达到很高的测向精度。均匀直线阵的和/差方向图（N＝6，d＝λ/4）测向时首先用天线阵“和”方向图的主瓣最大接收点来搜索目标，粗测来波方位，这有利于对来波信号快速搜索截获，然后用天线阵“差”方向图的两主瓣间最小接收点来进一步精确测定来波方位。7.6.2乌兰韦伯尔天线对于工作在短波波段的阵列测向天线，尽管利用均匀直线阵的和差方向特性，可以减少对天线元数目的需求，但是由于工作波长比较长，使得天线阵很长，在360°方位范围内旋转天线阵将非常困难，另外其转速也不可能很快，限制了测向速度的提高。为了解决天线阵的旋转问题，出现了乌兰韦伯尔天线。和差器相位补偿器相位补偿器（a）圆阵天线（b）电容角度计乌兰韦伯尔天线结构示意图r11r7r2r5r4r6r3r8r9r10来波方向（a）（b）（a）排列在圆周上的天线阵（b）圆阵经相位补偿后等效为直线阵AB和差器V+V—ABVAVB利用相位补偿器，可以将圆阵等效为直线阵，原理如图所示：圆盘形转子上装有耦合电容动片，动片仅分布在某一扇面的圆周上。转子旋转的过程可以等效为排列在一条直线上的一个天线阵在旋转，乌兰韦伯尔天线就是这样通过转子的旋转代替天线阵的旋转，由此解决了天线阵的旋转问题。