CN110797660B - 测向天线及测向方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测向天线及测向方法，包括：射频辐射单元阵列、相位切换单元、功分网络和输出接口；其中，射频辐射单元阵列包括至少三组射频辐射单元；射频辐射单元阵列中一组射频辐射单元通过相位切换单元和功分网络连接，其他射频辐射单元直接与功分网络连接；功分网络与输出端口连接；相位切换单元具有两种切换状态，一种切换状态下相位切换单元的输入和输出之间的相位变化值相较于另一种切换状态下相位切换单元的输入和输出之间的相位变化值的变化量为180°，以使测向天线在一种切换状态下产生单主瓣波束的方向图，在另一种切换状态下产生劈裂波束的方向图。本发明结构简单、体积小，兼顾测向灵敏度和精确度。
Description
技术领域
本发明属于无线电测向技术领域，尤其涉及一种测向天线及测向方法。
背景技术
目前，无线电技术得到迅速发展，无线电测向作为无线电监测、技术侦查和电子对抗的一项重要技术手段，已得到业界越来越多的关注。根据测向原理的不同，测向方法可分为幅度法、相位法、多普勒法、时间差法和空间谱估计法等。
无线电测向设备使用天线来寻找信标或者信号源，测向天线是无线电测向设备的重要组成部分，测向天线的性能尤其是方向图性能决定了无线电测向设备的灵敏度。现有测向技术中通常采用锐方向性的天线波束，如采用八木天线、抛物面天线、相控阵天线等窄波瓣天线。通常衡量天线方向性的指标为方向图的半功率波瓣宽度，即在方向图上最大辐射方向的两侧，辐射或接收功率下降3dB的两个方向的夹角。锐方向性指的是半功率波瓣宽度极小。半功率波瓣宽度越小，意味着需要天线辐射单元越多，天线结构越复杂、体积越大、成本越高。
在测向方法中，幅度法由于结构简单、性能稳定等优点而被广泛运用于无线电测向领域。幅度法按幅度信息利用方式的不同，可细分为最大信号法、最小信号法和幅度比较法。其中，最大信号法测向虽然测向接收灵敏度高，但对天线的锐方向性要求较高。由于定位精度和半功率波瓣宽度具备线性关系，如果半功率波瓣宽度较宽，则测向精确度不高，因为天线的方向图在最大增益角度附近变化平缓，对角度变化不敏感；如果需要半功率波瓣宽度较窄，则要求天线辐射单元更多。而最小信号法虽然测向精确度较高，但测向灵敏度不高，因为定向天线方向图在最小增益角度附近变化剧烈，但此处天线增益低，不利于信号的接收。幅度比较法中幅度的比较由电路实现，对部件的一致性要求高，调试难度大。
发明内容
为克服上述现有的测向天线需要很多辐射单元，测向灵敏度和精确度不能兼顾问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种测向天线及测向方法。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种测向天线，包括射频辐射单元阵列、相位切换单元、功分网络和输出接口；
其中，所述射频辐射单元阵列包括至少三组射频辐射单元；
所述射频辐射单元阵列中一组射频辐射单元通过所述相位切换单元和所述功分网络连接；
所述射频辐射单元阵列中除所述一组射频辐射单元以外的其他射频辐射单元直接与所述功分网络连接；
所述功分网络与所述输出端口连接；
所述相位切换单元具有两种切换状态，一种所述切换状态下相位切换单元的输入和输出之间的相位变化值相较于另一种所述切换状态下相位切换单元的输入和输出之间的相位变化值的变化量为180°，以使所述测向天线在一种所述切换状态下产生单主瓣波束的方向图，在另一种所述切换状态下产生劈裂波束的方向图。
优选地，所述相位切换单元以双刀双掷方式进行切换。
优选地，所述相位切换单元包括双刀双掷开关和两个射频支路；
一个所述射频支路的输入端口和输出端口之间的相位变化值相较于另一个所述射频支路的输入端口和输出端口之间的相位变化值的变化量为180°；
两个所述射频支路相互独立，相互隔离；
所述双刀双掷开关用于以切换方式分别与两个所述射频支路进行电连接，构成通路，所述双刀双掷开关未电连接的射频支路处于完全断开状态。
优选地，所述一组射频辐射单元通过所述相位切换单元和所述功分网络进行电连接，所述其他射频辐射单元直接与所述功分网络进行电连接。
优选地，所述其他射频辐射单元的组成一致、幅度一致且相位一致。
优选地，所述射频辐射单元阵列中相邻两组射频辐射单元之间的间距为0.5-1个波长。
优选地，所述功分网络包括多个输入端口和一个输出端口；
每个所述输入端口分别与相应的一个射频辐射单元直接或间接相连；
与所述射频辐射单元直接相连的所有所述输入端口的幅度一致；
所有所述输入端口中任意两个所述输入端口之间的幅度比值为1:2-10:1；
与所述射频辐射单元直接相连的所述输入端口和所述输出端口之间的相位一致；
通过所述相位切换单元与所述射频辐射单元相连的所述输入端口和所述输出端口之间的相位一致或者相差180°。
优选地，所述电连接为直接电连接或通过耦合馈电构成的电传播通道的连接。
根据本发明实施例第二方面提供一种测向方法，包括：
将测向天线中的相位切换单元切换到一种切换状态，以使所述测向天线在所述一种切换状态下产生单主瓣波束的方向图，基于最大信号法对测向目标进行初步定位；
将所述相位切换单元切换到另一种切换状态，以使所述测向天线在所述另一种切换状态下产生劈裂波束的方向图；
根据初步定位的结果，采用最小信号法对所述测向目标进行最终定位。
优选地，基于最大信号法对测向目标进行初步定位的步骤包括：
旋转所述测向天线，当所述测向天线所在的测向机的输出端出现最大信号值时，根据所述测向天线产生的方向图中主瓣的径向中心轴确定所述测向目标的初步定位结果；
根据初步定位的结果，采用最小信号法对所述测向目标进行最终定位的步骤包括：
继续旋转所述测向天线，当所述测向机的输出端出现最小信号值时，将所述测向天线产生的方向图中的主瓣方向作为所述测向目标的最终定位结果。
本发明实施例提供一种测向天线及测向方法，该测向天线中射频辐射单元阵列的一组射频辐射单元通过相位切换单元和功分网络连接，而其他射频辐射单元直接与功分网络连接，从而通过相位切换单元可产生两种不同特性的方向图，测向天线结构简单、体积小、成本低且重量轻，兼顾测向灵敏度和精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的测向天线整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的测向天线中相位切换单元切换到状态一的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的测向天线中相位切换单元切换到状态二的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的测向天线产生的单主瓣波束方向图；
图5为本发明实施例提供的测向天线产生的劈裂波束方向图；
图6为本发明实施例提供的测向方法流程示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在本发明的一个实施例中提供一种测向天线，图1为本发明实施例提供的测向天线整体结构示意图，该方法包括射频辐射单元阵列1、相位切换单元2、功分网络3和输出接口4；其中，所述射频辐射单元阵列1包括至少三组辐射单元；所述射频辐射单元阵列1中的一组辐射单元12通过与所述相位切换单元2连接，再与所述功分网络3连接；所述射频辐射单元阵列1中除该组辐射单元12以外的其他射频辐射单元，如辐射单元11和辐射单元13直接与所述功分网络连接；所述功分网络3与所述输出端口4连接；
优选地，辐射单元11与功分网络3的输入端口31电连接，辐射单元13与功分网络3的输入端口33电连接，辐射单元12通过与相位切换单元电连接后，再与功分网络的输入端口32电连接。功分网络的输出端口34与输出端口4电连接。本实施例中的电连接可以为直接电连接或者耦合馈电等能够构成电传播通道的连接。
优选地，其他射频辐射单元，如辐射单元11和辐射单元13的组成、幅度和相位一致。射频辐射单元阵列1中相邻两组射频辐射单元之间的间距为0.5-1个波长。
所述相位切换单元2具有两种切换状态，一种所述切换状态下相位切换单元2的输入和输出之间的相位变化值相较于另一种所述切换状态下相位切换单元2的输入和输出之间的相位变化值的变化量为180°，以使所述测向天线在一种所述切换状态下产生单主瓣波束的方向图，在另一种所述切换状态下产生劈裂波束的方向图。
具体地，相位切换单元2具有两种切换状态，即状态一和状态二。两种切换状态下相位切换单元2的输入输出端之间的相位差值的变化量为180°，辐射单元12输入输出相位变化在0°和180°之间切换，从而使得测向天线的方向图产生两种形态，即单主瓣波束和劈裂波束。相位切换单元2可以采用手控或者电控方式进行切换。
本实施例中射频辐射单元阵列中一组射频辐射单元通过相位切换单元和功分网络连接，而其他射频辐射单元直接与功分网络连接，从而通过相位切换单元可产生两种不同特性的方向图，测向天线结构简单、体积小、成本低且重量轻，兼顾测向灵敏度和精确度。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述相位切换单元2以双刀双掷方式进行切换。
其中，当相位切换单元2切换到状态一时，与相位切换单元2电连接的辐射单元12和其他射频辐射单元的相位一致。如状态一下，辐射单元11与功分网络3的输入端口31之间的电连接长度、辐射单元13与功分网络3的输入端口33之间电连接长度，以及在相位切换单元2切换至状态一时辐射单元12通过相位切换单元2与功分网络3的输入端口32电连接的整体长度，三者一致。这样在相位切换单元2切换至状态一时，三个辐射单元的相位一致。
当相位切换单元2切换到状态二时，与相位切换单元2电连接的射频辐射单元和其他射频辐射单元的相位相差为180°。如状态二下，辐射单元11、辐射单元13与辐射单元12之间的相位差为180°。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述相位切换单元2包括双刀双掷开关21和两个射频支路，即射频支路22和射频支路23，如图1所示。射频支路22的输入端口输出端口之间的相位变化值与射频支路23的输入输出端口之间的相位变化值之间的变化量为180°；两个所述射频支路相互独立，相互隔离；所述双刀双掷开关21用于以切换方式分别与两个所述射频支路进行独立电连接，构成通路，所述双刀双掷开关21未电连接的射频支路处于完全断开状态。
图2中双刀双掷开关21在两个预设位置与射频支路22电连接，构成通路，射频支路23处于完全断开状态。图3中双刀双掷开关21在两个预设位置与射频支路23电连接，构成通路，射频支路22处于完全断开状态。通过双刀双掷开关21的切换，两种状态下，相位切换单元2中的射频支路呈现180°的相位差。
在上述实施例的基础上，本实施例中所述功分网络3包括多个输入端口和一个输出端口34；每个所述输入端口分别与相应的一个射频辐射单元直接或间接相连；与所述射频辐射单元直接相连的所有所述输入端口的幅度一致；所有所述输入端口中任意两个所述输入端口之间的幅度比值为1:2-10:1；与所述射频辐射单元直接相连的所述输入端口和所述输出端口之间的相位一致；通过所述相位切换单元与所述辐射单元12相连的所述输入端口和所述输出端口之间的相位一致或者相差180°。
如图1中，功分网络3包括输入端口31、输入端口32、输入端口33和输出端口34。每个射频辐射单元通过相位切换单元2间接或直接与功分网络3相应的一个输入端口电连接。辐射单元11和辐射单元13的幅度一致，输入端口31、输入端口32和输入端口33中任意两个输入端口之间的幅度比值为1:2-10:1。输入端口31、输入端口33与输出端口34之间的相位一致。在状态一下，输入端口32和输出端口34之间的相位一致；在状态二下，输入端口32和输出端口34之间的相位相差180°。
在相位切换单元2切换到状态一的情况下，测向天线的方向图如图4所示，呈现单主瓣波束；在相位切换单元2切换到状态二的情况下，测向天线的方向图如图5所示，呈现劈裂波束，中间存在锐方向性凹陷。
在本发明的另一个实施例中提供一种基于上述各实施例中的测向天线的测向方法，该方法基于前述各实施例中的测向天线实现。因此，在前述测向天线的各实施例中的描述和定义，可以用于本发明实施例中各个执行步骤的理解。图6为本发明实施例提供的测量方法整体流程示意图，该方法包括：S601，将测向天线中的相位切换单元切换到一种切换状态，以使所述测向天线在所述一种切换状态下产生单主瓣波束的方向图，基于最大信号法对测向目标进行初步定位；S602，将所述相位切换单元切换到另一种切换状态，以使所述测向天线在所述另一种切换状态下产生劈裂波束的方向图；S603，根据初步定位的结果，采用最小信号法对所述测向目标进行最终定位。
具体地，本实施例结合测向天线的方向图的切换，提供一种测向方法，该方法先将相位切换单元切换到状态一，使得测向天线的方向图为单主瓣波束，然后采用最大信号法对测向目标进行初步定位。接着，将相位切换单元切换到状态二，使得测向天线的方向图为劈裂波束，此种情况下波束具备锐方向性，在最大信号法的定位结果的基础上，进一步采用最小信号法对测向目标进行精确定位。
本实施例通过对相位切换单元进行状态切换，使得测向天线可产生两种不同特性的辐射方向图，结合测向天线产生的辐射方向图的形态进行两次定位，兼容最大信号法和最小信号法的优点，测向灵敏度高且精确度高，方法简单，从而实现快速精确测向。
在上述实施例的基础上，本实施例中基于最大信号法对测向目标进行初步定位的步骤包括：旋转所述测向天线，当测向天线所在的测向机的输出端出现最大信号值时，根据测向天线产生的方向图中主瓣的径向中心轴确定所述测向目标的初步定位结果；根据初步定位的结果，采用最小信号法对所述测向目标进行最终定位的步骤包括：继续旋转所述测向天线，当测向机的输出端出现最小信号值时，将测向天线产生的方向图中的主瓣方向作为所述测向目标的最终定位结果。
具体地，本实施例的测向机中安装有上述任一测向天线实施例中的测向天线。在使用测向天线进行测向时，首先通过切换相位切换单元的状态，使测向天线的方向图为单主瓣波束，然后旋转测向天线,当测向机的输出端出现最大信号值时，说明测向天线的方向图中主瓣的径向中心轴和通过测向机到测量目标的直线重合，从而确定测量目标的方向角。这样，可以初步完成对测向目标的测向。但由于测向天线的方向图在主瓣最大增益处附近变化平缓，方位角可能存在误差。
然后通过切换相位切换单元的状态，使测向天线的方向图切换为劈裂波束，左右小范围旋转天线。由于劈裂波束具备锐方向性，测向天线角度的轻微变化会造成信号值的急剧变换，当通过左右小范围旋转天线使得测向机的输出端出现最小信号值时，此时测向天线的主瓣方向就是测向目标的准确方向。
本实施例结合测向天线的方向图特性进行两次定位，在测向天线产生单波束方向图时，对测向目标进行初步定位；在初步定位基础上，将测向天线的方向图切换为劈裂约束，进行精确定位。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种测向天线，其特征在于，包括射频辐射单元阵列、相位切换单元、功分网络和输出接口；
其中，所述射频辐射单元阵列包括至少三组射频辐射单元；
所述射频辐射单元阵列中一组射频辐射单元通过所述相位切换单元和所述功分网络连接；
所述射频辐射单元阵列中除所述一组射频辐射单元以外的其他射频辐射单元直接与所述功分网络连接；
所述功分网络与所述输出端口连接；
所述相位切换单元具有两种切换状态，一种所述切换状态下相位切换单元的输入和输出之间的相位变化值相较于另一种所述切换状态下相位切换单元的输入和输出之间的相位变化值的变化量为180°，以使所述测向天线在一种所述切换状态下产生单主瓣波束的方向图，在另一种所述切换状态下产生劈裂波束的方向图；
在使用测向天线进行测向时，所述相位切换单元先切换至一种所述切换状态，使得所述测向天线产生单主瓣波束的方向图；然后切换至另一种所述切换状态，使得所述测向天线产生劈裂波束的方向图。
2.根据权利要求1所述的测向天线，其特征在于，所述相位切换单元以双刀双掷方式进行切换。
3.根据权利要求2所述的测向天线，其特征在于，所述相位切换单元包括双刀双掷开关和两个射频支路；
一个所述射频支路的输入端口和输出端口之间的相位变化值相较于另一个所述射频支路的输入端口和输出端口之间的相位变化值的变化量为180°；
两个所述射频支路相互独立，相互隔离；
所述双刀双掷开关用于以切换方式分别与两个所述射频支路进行电连接，构成通路，所述双刀双掷开关未电连接的射频支路处于完全断开状态。
4.根据权利要求1所述的测向天线，其特征在于，所述一组射频辐射单元通过所述相位切换单元和所述功分网络进行电连接，所述其他射频辐射单元直接与所述功分网络进行电连接。
5.根据权利要求1所述的测向天线，其特征在于，所述其他射频辐射单元的组成一致、幅度一致且相位一致。
6.根据权利要求1所述的测向天线，其特征在于，所述射频辐射单元阵列中相邻两组射频辐射单元之间的间距为0.5-1个波长。
7.根据权利要求1所述的测向天线，其特征在于，所述功分网络包括多个输入端口和一个输出端口；
每个所述输入端口分别与相应的一个射频辐射单元直接或间接相连；
与所述射频辐射单元直接相连的所有所述输入端口的幅度一致；
所有所述输入端口中任意两个所述输入端口之间的幅度比值为1:2-10:1；
与所述射频辐射单元直接相连的所述输入端口和所述输出端口之间的相位一致；
通过所述相位切换单元与所述射频辐射单元相连的所述输入端口和所述输出端口之间的相位一致或者相差180°。
8.根据权利要求4所述的测向天线，其特征在于，所述电连接为直接电连接或通过耦合馈电构成的电传播通道的连接。
9.基于权利要求1-8任一所述测向天线的测向方法，其特征在于，包括：
将测向天线中的相位切换单元切换到一种切换状态，以使所述测向天线在所述一种切换状态下产生单主瓣波束的方向图，基于最大信号法对测向目标进行初步定位；
将所述相位切换单元切换到另一种切换状态，以使所述测向天线在所述另一种切换状态下产生劈裂波束的方向图；
根据初步定位的结果，采用最小信号法对所述测向目标进行最终定位。
10.根据权利要求9所述的测向天线的测向方法，其特征在于，基于最大信号法对测向目标进行初步定位的步骤包括：
旋转所述测向天线，当所述测向天线所在的测向机的输出端出现最大信号值时，根据所述测向天线产生的方向图中主瓣的径向中心轴确定所述测向目标的初步定位结果；
根据初步定位的结果，采用最小信号法对所述测向目标进行最终定位的步骤包括：
继续旋转所述测向天线，当所述测向机的输出端出现最小信号值时，将所述测向天线产生的方向图中的主瓣方向作为所述测向目标的最终定位结果。
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