本發(fā)明涉及寬帶全極化天線陣列傳感器裝置及其測向技術領域，具體的說是一種可用于雷達和通信等無線電系統(tǒng)中的基于空間取樣天線陣列的全極化干涉儀及其參數(shù)估計方法。

背景技術：
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無線電測向，無論在軍事領域還是在民用領域都發(fā)揮著重要的作用。在軍事領域，對港口、機場、軍艦和導彈發(fā)射場地等軍事設施的雷達、通訊、測控等無線電輻射源進行偵察定位，對實施針對性電子干擾和軍事打擊具有重要的價值；在民用領域，可在交通管制、生命救援、無線電頻譜管理、動物遷徙特性監(jiān)測等方面發(fā)揮重要作用。相位干涉儀測向是目前廣泛應用的一種測向體制，它具有高靈敏度、高準確度、測向速度快等優(yōu)點。它主要是利用測向天線陣元之間的相位差來計算來波方位的。測向的方法和種類很多，按天線的方向圖大體可分為兩類。一種是利用簡單振子或天線陣列的一定方向性來測向；另一類是利用系統(tǒng)功能來測向，而對天線方向圖沒有特殊要求。前者通過旋轉天線可找出某一方位天線感應電壓最小，這種方式的測向的優(yōu)點是：天線結構簡單，尺寸小。缺點是：工作帶寬窄，測向精度低。后者的測向體制可分為比幅法、比相法、比幅比相法、時差法和多普勒頻率法等。干涉儀測向屬于比相法的一種。相位干涉儀具有測向精度高、設備實現(xiàn)簡單、測向速度快、平臺適應性和移植性強等優(yōu)點，已成為當前無線電測向領域的主流體制。

傳統(tǒng)的相位干涉儀一般采用單極化天線形式，僅能感知和測量入射電磁波的單極化信息，并且目前的技術水平已經(jīng)較為成熟，在目標檢測、參數(shù)測量和跟蹤等方面的而技術指標相對穩(wěn)定；為了適應新一代電子偵察與測向系統(tǒng)的技術要求，具有更為強大的多參數(shù)參量功能的干涉儀系統(tǒng)已成為測向領域重要的發(fā)展趨勢。在電磁波所承載的信息中，除了幅度、相位和頻率信息以外，極化特性是一種重要中的信息資源，它的利用將為無線電系統(tǒng)的性能提升發(fā)揮重要作用。在干涉儀測向系統(tǒng)中，采用雙極化或者全極化的系統(tǒng)體制，將顯著提高系統(tǒng)的目標檢測、識別和抗干擾能力，會為研制新一代的干涉儀測向系統(tǒng)提供一條有效的技術途徑。采用寬帶雙極化天線的無線電干涉儀系統(tǒng)是一種可行的實現(xiàn)波達方向和極化參數(shù)聯(lián)合估計的有效手段，寬帶雙極化天線同時具備寬頻帶和雙極化兩種性能，是目前天線領域研究的熱點之一。同時，考慮到電磁波極化信息的獲取手段可以采用不同的手段，例如利用天線的空間取向不同，采用各向異性排列的天線陣列，依然可以感知入射電磁波的極化信息，這將成為獲取輻射源全部電磁參數(shù)的有效技術手段之一。

技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中存在的缺點和不足，提出了一種可用于雷達和通信等無線電系統(tǒng)中的基于空間取樣天線陣列的全極化干涉儀及其參數(shù)估計方法。

本發(fā)明通過以下措施達到：

一種基于空間取樣天線陣列的全極化干涉儀，其特征在于采用六單元超寬帶線極化天線陣列，引入兩種超寬帶線極化天線類型，即超寬帶的對數(shù)周期天線和超寬帶的Vivaldi天線，它們分別對應超寬帶的電流源和超寬帶的磁流源的輻射，以減小單元之間的電磁耦合；天線單元個數(shù)N為6，天線單元為線極化天線形式，單元組成圓環(huán)形陣列，六單元線極化天線按照圓心呈現(xiàn)徑向方式排列，每個天線單元具有不同的空間取向。

本發(fā)明中的對數(shù)周期天線為微帶印刷電路結構，便于加工和制作，精度較高。對數(shù)周期天線屬于周期性結構天線，具有超寬帶的輻射特性和阻抗特性。對數(shù)周期天線的所有振子尺寸和振子之間的距離等天線構成要素都要遵循一定的比例關系。如果用τ來表示該比例系數(shù)，稱τ為比例因子，則要求：

式中L_n為第n個對稱振子的全長；a_n為第n個對稱振子的寬度；R_n為第n個對稱振子到天線虛擬“頂點”的距離；n為對稱振子的序列編號，從距離饋電點最遠的振子算起，也就是最長的振子編號為“1”。

本發(fā)明中，為了實現(xiàn)低頻段的振子等分形曲折線，采用了不同的比例因子，這些比例因子表示為：

采用曲折線技術后，對數(shù)周期天線的橫向尺寸得到有效減小。本發(fā)明中，對低頻振子采用曲折線結構，具體方法是控制矩形曲折線的分段個數(shù)和垂直于振子方向的折線高度，采用電磁仿真優(yōu)化的方法，基于駐波比和方向圖性能，確定曲折線振子的結構參數(shù)。在集合線底部，即靠近低頻振子處，加載寬帶匹配負載，吸收低頻段的反射波信號，進一步改善低頻段的電壓駐波比性能。微帶印刷對數(shù)周期偶極天線的設計是在一般對數(shù)周期天線的基礎上，考慮微帶基板的影響，增加微帶基板后，天線的有效介電常數(shù)發(fā)生變化，因此，需要準確地求出有效介電常數(shù)，然后將其對應的參數(shù)進行變換，變換到介質板上后進行設計。有效介電常數(shù)可表示為：

式中，ε_r為基板的介電常數(shù)，h為基板的厚度，w為集合線寬度，ε_e為有效介電常數(shù)，c為光速。

本發(fā)明中的超寬帶Vivaldi天線是指數(shù)漸變平面縫隙天線。漸變縫隙端射天線是一種表面波類型的行波天線，表面波沿著漸變縫隙傳播，直到在末端開口處輻射出去；表面波的相速通常比光速小，因此這種天線屬于慢波結構；這種天線在平行于介質層的面(E面)和垂直于介質層的面(H面)上都可以產(chǎn)生對稱的方向圖；這種天線的輸入阻抗隨頻率變化不劇烈。一般地，Vivaldi天線的指數(shù)漸變曲線方程為：

y＝±(c₁e^Rx+c₂) (10)

式中，R為指數(shù)因子，它決定了天線的波束寬度。在x較大時，指數(shù)曲線的截斷處能使天線工作頻帶內的導波輻射出去，而在x較小時，天線中的導波的能量會被束縛在天線的導體之間。天線低頻端的截止波長可以確定為槽線最大寬度的2倍，而天線的高頻段的特性則受到槽線最窄處寬度的限制。Vivaldi天線的增益與天線的總長度以及能量輻射的速度成比例關系。從增益方面考慮，要求天線中導體間的波速等于或超過天線周圍介質空間中波的波速。這要求對行波天線進行相位超前補償，通常這是由改變基底的介電常數(shù)實現(xiàn)的。Vivaldi天線的輻射是端射式的，電場矢量平行于介質基板，在它的兩個主要的輻射面上輻射場是線性極化的，在E面和H面之間的平面上是橢圓極化。它的輻射場在E面和H面有幾乎相同的波束寬度，具有很好的對稱性，很低的旁瓣和交叉極化電平。本發(fā)明中設計的Vivaldi天線采用微帶線轉槽線的饋電方式，這是一種電磁耦合的饋電方式，帶寬較寬；在天線陣列設計中，所有的天線單元的輸出電纜均從陣列的底部輸出，要求饋電端口位于天線單元的下方，因此，本發(fā)明將饋電的槽線彎折90度，槽線與地平面平行，微帶線與槽線正交放置，實現(xiàn)電磁耦合，饋電微帶線從印刷電路板的底部輸出，即微帶線與地面垂直；為了實現(xiàn)有效的阻抗匹配，獲得良好的電壓駐波比性能，在饋電線的耦合部分和輸出均勻微帶線之間增加一段均勻漸變的阻抗變換段。

一種基于空間取樣天線陣列的全極化干涉儀的參數(shù)估計方法，其特征在于以坐標o為原點，此時天線單元i的遠區(qū)輻射電場可表示為：

以坐標o為原點，此時天線單元i的遠區(qū)輻射電場可表示為：

假設入射信號為：

式中，|S_in|和分別為入射信號的幅度和相位，γ_in和η_in分別為如射信號的幅度和相位極化角，于是，六個天線端口的接收輸出電壓可表示為：

為了排除入射信號的幅度和相位對相位干涉儀測向和測極化參數(shù)的影響，采用單元之間的比較方法，即考察單元之間的幅度和相位極化差異，針對上述天線陣列結構，有6個天線端口，根據(jù)圖論的知識，該天線陣列可組成連通圖，可組成的支路數(shù)目為：

節(jié)點數(shù)目為n＝6，于是采用樹的分析方法，圖中樹的數(shù)目為n-1＝5，由于樹枝電壓為獨立電壓，于是可獨立選取5和相對接收電壓來進行后續(xù)的測向工作，針對本發(fā)明專利考察的天線陣列結構，有6個天線端口，采用5個基線進行角度估計。這五個基線組合為：1至2、1至3、1至4、1至5和1至6，在信號對u₁和u₂比較中可得：

在信號對u₃和u₁比較中可得：

在信號對u₄和u₁比較中可得：

在信號對u₅和u₁比較中可得：

在信號對u₆和u₁比較中可得：

定義向量[ε]和[δ]分別為：

假設入射信號被陣列單元接收后，數(shù)字化后的信號電壓經(jīng)過處理后，得到向量[ε]和[δ]的估值分別為：

根據(jù)公式(37)和(39)，獲得誤差向量：

根據(jù)公式(38)和(40)，獲得誤差向量：

基于公式(30)和公式(31)，利用最小二乘法，可估計計算出入射信號的參數(shù)

本發(fā)明研提出了圓周徑向排列的寬帶天線陣列的設計和全極化干涉儀測向算法，本發(fā)明本天線陣列系統(tǒng)實際上為一個由非相似元組成各向異性天線陣列；對于一般的天線陣列而言，隨著空間角度的變化，天線輻射場的極化特性會發(fā)生一定的變化，即形成極化方向圖，在采用捷聯(lián)式測角方法的干涉儀系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)需要一定的掃描角度，因此，在測向算法設計中，需要考慮天線陣列的方向圖覆蓋范圍和輻射場的空間極化特性，本發(fā)明設計的基于空間采樣超寬帶天線陣列的全極化干涉儀的陣列結構布局如圖2所示，天線單元個數(shù)N為6，天線單元為線極化天線形式，單元組成圓環(huán)形陣列，在實際工程上，本天線陣列分析中采用的坐標系乳突所示，超寬帶天線陣列的三維電磁仿真模型如圖4所示。

本發(fā)明設計的空間采樣超寬帶天線單元的三維電磁結構示模型如圖5所示。圖5(a)為小型化對數(shù)周期天線的金屬振子結構模型，圖5(b)為小型化對數(shù)周期天線的印刷電路板結構模型，圖5(c)為Vivaldi天線的前視圖，圖5(d)為Vivaldi天線的后視圖，圖中給出了所采用天線的組成部分的描述。

在實際工作中，雙極化天線陣列常常安裝于金屬工作平臺上，金屬平面對天線的輻射性能產(chǎn)生一定的影響。為了減小金屬平臺對雙極化天線陣列輻射方向圖的影響以及降低雙極化天線單元之間的互相耦合效應，本發(fā)明在整個金屬平臺上方的天線之外的區(qū)域加載寬帶微波吸波材料，如圖3所示。由于微波吸波材料的引入，雙極化天線陣列的效率有所降低，增益略微下降，但是方向圖的形狀更為規(guī)則，起伏性變小，更有利于后續(xù)的干涉儀測算法的實現(xiàn)。本發(fā)明中整個天線陣列包含三個天線單元，每個單元為正交雙極化布局，形成六個輸出端口，這樣能夠充分利用天線安裝平臺空間，可以實現(xiàn)二維空間的輻射源波達方向的估計，進一步還可以進行輻射源兩個極化參數(shù)的估計，有效實現(xiàn)對輻射源全參數(shù)的測量。同時，由于端口數(shù)目較多，增加了信息的冗余度，可以有效提高測角的可靠性。

綜上所述，本發(fā)明提出了一種基于空間取樣超寬帶天線陣列的相位干涉儀裝置及其全參數(shù)估計方法，該方法考慮了實際天線陣列的單元耦合、單元之間的類型不一致對天線輻射性能的影響，基于天線陣列單元的各向異性取向和類型的不同，采用陣列的空間取樣實現(xiàn)對如射電磁波信號的極化信息的獲??；設計了全極化的信號處理算法，能夠同時實現(xiàn)對輻射源信號的二維波達方向和極化參數(shù)的測量，本發(fā)明適用于星載、機載、彈載以其他相關的無線電測向系統(tǒng)，具有更為全面的參數(shù)測量功能和平臺的適應性。

附圖說明：

附圖1傳統(tǒng)單基線相位干涉儀原理示意圖。

附圖2雙極化干涉儀的天線陣列結構。

附圖3是本發(fā)明中算法分析所采用的坐標系。

附圖4是本發(fā)明中天線陣列的三維電磁仿真模型。

附圖5(a)是本發(fā)明中小型化對數(shù)周期天線的金屬振子結構模型。

附圖5(b)是本發(fā)明中小型化對數(shù)周期天線的印刷電路板結構模型。

附圖5(c)是本發(fā)明中Vivaldi天線的前視圖。

附圖5(d)是本發(fā)明中Vivaldi天線的后視圖。

附圖6是本發(fā)明中空間采用天線陣列的連通圖。

附圖7是本發(fā)明實施例中六個天線端口的回波損耗特性仿真結果。

附圖8是本發(fā)明實施例中端口之間的隔離度仿真結果。

附圖9是本發(fā)明實施例中頻率為3GHz時的雙極化天線陣列輻射特性仿真結果。

附圖10是本發(fā)明實施例中頻率4GHz時的雙極化天線陣列輻射特性仿真結果。

附圖11是本發(fā)明實施例中頻率為3GHz時的幅度偏差和相位偏差的仿真結果圖。

附圖12是本發(fā)明實施例中頻率為4GHz時的幅度偏差和相位偏差的仿真結果。

附圖13是本發(fā)明實施例中頻率為3GHz時的幅度偏差和相位偏差的仿真結果。

附圖14是本發(fā)明實施例中頻率為4GHz時的幅度偏差和相位偏差的仿真結果。

附圖標記：1為對數(shù)周期天線的傳統(tǒng)金屬振子、2為對數(shù)周期天線的曲折線金屬振子、3為對數(shù)周期天線的集合線、4為對數(shù)周期天線的饋電點位置、5為對數(shù)周期天線的寬帶負載加載位置、6為對數(shù)周期天線的支撐印刷振子的介質基板、7為Vivaldi天線的漸變輻射縫隙、8為Vivaldi天線中與漸變輻射縫隙直接相連接的槽線、9為Vivaldi天線的彎折的槽線、10為Vivaldi天線的圓形諧振腔、11為Vivaldi天線的介質基板、12為Vivaldi天線的扇形調配枝節(jié)、13為Vivaldi天線的饋電線的阻抗變換段、14為Vivaldi天線的輸出端的均勻微帶線部分。

具體實施方式：

本發(fā)明研提出了圓周徑向排列的寬帶天線陣列的設計和全極化干涉儀測向算法，本發(fā)明本天線陣列系統(tǒng)實際上為一個由非相似元組成各向異性天線陣列；對于一般的天線陣列而言，隨著空間角度的變化，天線輻射場的極化特性會發(fā)生一定的變化，即形成極化方向圖，在采用捷聯(lián)式測角方法的干涉儀系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)需要一定的掃描角度，因此，在測向算法設計中，需要考慮天線陣列的方向圖覆蓋范圍和輻射場的空間極化特性，本發(fā)明設計的基于空間采樣超寬帶天線陣列的全極化干涉儀的陣列結構布局如圖2所示，天線單元個數(shù)N為6，天線單元為線極化天線形式，單元組成圓環(huán)形陣列，在實際工程上，本天線陣列分析中采用的坐標系乳突所示，超寬帶天線陣列的三維電磁仿真模型如圖4所示。

本發(fā)明設計的空間采樣超寬帶天線單元的三維電磁結構示模型如圖5所示。圖5(a)為小型化對數(shù)周期天線的金屬振子結構模型，圖5(b)為小型化對數(shù)周期天線的印刷電路板結構模型，圖5(c)為Vivaldi天線的前視圖，圖5(d)為Vivaldi天線的后視圖，圖中給出了所采用天線的組成部分的描述。

在實際工作中，雙極化天線陣列常常安裝于金屬工作平臺上，金屬平面對天線的輻射性能產(chǎn)生一定的影響。為了減小金屬平臺對雙極化天線陣列輻射方向圖的影響以及降低雙極化天線單元之間的互相耦合效應，本發(fā)明在整個金屬平臺上方的天線之外的區(qū)域加載寬帶微波吸波材料，如圖3所示。由于微波吸波材料的引入，雙極化天線陣列的效率有所降低，增益略微下降，但是方向圖的形狀更為規(guī)則，起伏性變小，更有利于后續(xù)的干涉儀測算法的實現(xiàn)。本發(fā)明中整個天線陣列包含三個天線單元，每個單元為正交雙極化布局，形成六個輸出端口，這樣能夠充分利用天線安裝平臺空間，可以實現(xiàn)二維空間的輻射源波達方向的估計，進一步還可以進行輻射源兩個極化參數(shù)的估計，有效實現(xiàn)對輻射源全參數(shù)的測量。同時，由于端口數(shù)目較多，增加了信息的冗余度，可以有效提高測角的可靠性

實施例：

本發(fā)明采用一個圓形陣列排布、徑向取向的空間采樣的干涉儀測向裝置，采用全波電磁仿真軟件對該天線陣列進行了性能仿真，基于實際的全波電磁仿真數(shù)據(jù)結果，進行了全極化本信號源參數(shù)估計算法的仿真實驗，驗證了本發(fā)明所提出的算法的可行性和有效性。

在圖4所示的三維電磁仿真模型中，定義了端口1至端口6，其中端口1和端口2分別為Vivaldi天線單元，端口3至端口6為對數(shù)周期天線單元。對數(shù)周期天線單元的寬度尺寸約為66毫米，整體高度約為67毫米，振子個數(shù)為17，低頻段采用曲折線結構的振子，在集合線的底部加載50歐姆的超寬帶匹配負載，介質基板的厚度為1毫米。Vivaldi天線單元的寬度尺寸約為71毫米，整體高度約為115毫米，開口處的曲線漸變規(guī)律為指數(shù)規(guī)律，諧振腔的直徑為10毫米，在集合線的底部加載50歐姆的超寬帶匹配負載，介質基板的厚度為1.5毫米。六個天線端口的回波損耗特性分別如圖7所示，兩個端口的隔離度如圖8所示。由圖可見，對數(shù)周期天線在頻率為2GHz～4GHz范圍內的平均回波損耗約為-6dB，Vivaldi天線的平均回波損耗約為-10dB，端口1和端口4之間的隔離度大于20dB，端口之間的隔離度均大于20dB，端口2和端口5之間的隔離度也大于20dB，端口4和端口5之間的平均隔離度大于20dB，只有個別頻點處略低于20dB，這些指標不影響后續(xù)的測角算法，可以滿足實際的超寬帶雙極化電子系統(tǒng)的應用要求。

為了表征該天線的輻射特性，在此分別給出在3GHz和4GHz時的天線陣列的輻射增益方向圖和軸比方向圖的仿真結果，分別如圖9和圖10所示。由仿真結果可以看出，該天線在兩個極化端口上均表現(xiàn)出寬波束方向圖性能，增益隨著頻率的變化基本上保持穩(wěn)定，方向圖起伏性不大；在主波束范圍內，輻射場的極化狀態(tài)雖然較為穩(wěn)定，但是各個空間點的極化狀態(tài)不是相同的，因此必須采用全極化的空間數(shù)據(jù)校準和補償，才能實現(xiàn)有效的測向算法。

基于上述設計的寬帶雙極化天線陣列的全波電磁仿真結果數(shù)據(jù)，利用本發(fā)明提出的干涉儀測向算法，進行數(shù)值仿真模擬，在此部分給出仿真結果。設定入射信號的角度為θ＝45度，極化參數(shù)為γ＝25度，η＝50度，圖11和圖12分別給出了頻率為3GHz和4GHz時，在θ＝45度和切面上的幅度偏差和相位偏差的仿真結果，可以看出，在角度為θ＝45度，極化參數(shù)為γ＝25度，η＝50度時，幅度和相位偏差均達到了最小，可以估計出目標的全部波達方向角參數(shù)。

在目標方向上，幅度和相位偏差隨著極化參數(shù)的變化仿真結果如圖12和圖3所示，圖13和圖14分別為頻率為3GHz和4GHz的情況，可以看出，在兩個工作頻點上，幅度和相位偏差均達到了最小，可以估計出目標的全部極化參數(shù)。

綜上所述，本發(fā)明提出了一種基于空間取樣超寬帶天線陣列的相位干涉儀裝置及其全參數(shù)估計方法，該方法考慮了實際天線陣列的單元耦合、單元之間的類型不一致對天線輻射性能的影響，基于天線陣列單元的各向異性取向和類型的不同，采用陣列的空間取樣實現(xiàn)對如射電磁波信號的極化信息的獲取；設計了全極化的信號處理算法，能夠同時實現(xiàn)對輻射源信號的二維波達方向和極化參數(shù)的測量，本發(fā)明適用于星載、機載、彈載以其他相關的無線電測向系統(tǒng)，具有更為全面的參數(shù)測量功能和平臺的適應性。