CN113109757A - 一种基于干涉仪的测向微波信道组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于干涉仪的测向微波信道组件，天线阵和有源接收机，天线阵接收待测电磁波分别与有源接收机相连；所述的天线阵列包括均匀圆阵列安装于金属圆盘的天线底盘上的单极子天线；所述的单极子天线采用锥形结构，在锥形单极子天线的口上覆盖有圆形盖板，锥面和圆形盖板围成真空结构，在锥顶形成馈电孔与安装在天线底盘上的馈电SMA接头相连。本发明中，天线采用单极子天线，有效降低了天线部分的高度，天线罩尺寸可达直径310mm，高度97mm，与业界同等级产品比较尺寸极大的缩小。
Description
技术领域
本发明涉及无线电测向领域，特别涉及一种基于干涉仪的测向微波信道组件。
背景技术
无线电测向是根据无线电磁波的传播性质，通过测向设备接收和计算出无线电磁波的波达方向。由于无线电测向属于无源工作，隐蔽性好，因而在通信领域占据重要地位。无线电测向仪基于测向原理的不同有振幅法测向、相位法测向、瓦特原理测向、多普勒测向、时差法测向以及相关干涉仪等方法。测向仪的重要技术指标包括：(1)测向精度：测向的任务就是确定目标的方位(也就是来波方位)，测向精度越高则测向误差越小，通常测向仪的测量精度由允许误差来表示；(2)灵敏度：即测向仪能够正常测向条件下能够接收的最小无线信号，能够接收的信号越微弱，则灵敏度越高，测向距离越远。测向仪的灵敏度以最弱信号电磁场场强(V/m)来表示；(3)测向频段是指测向仪的实际工作频率范围，由测向仪接收天线频段和射频电路带宽决定；(4)频率分辨率：指在频率上选择、区分两个邻近信号的能力，由测向仪的通频带(或称瞬时带宽)决定，通频带越窄，频率分辨力愈高，测向仪在频率上选择信号的能力愈强。
干涉仪测向中，通过计算天线间的接收信号相位差来推算出信号的入射方向，原理简单明了，运算量较小，测向精度高。利用这种技术进行测向时，能够全方位测量出一个信号的方向。干涉仪测向体制中包括相位干涉仪测向、相关干涉仪测向两种。相位干涉仪测向为了可以确定来波方向，要求具有一致的幅相特性，特别是要求好的相位一致性，因而对硬件要求比较高，同时高频率处的信号测向易产生测向模糊。而相关干涉仪测向系统在全方位的范围内，对信号进行相关算法的运算，通过求得相关系数最大值来测量出信号的方向。相关干涉仪测向的优点是运算量小，测向处理速度快、精度高，通过信号的相位数据与样本库的数据作相关运算，解决相位干涉仪的问题，从而大大提高了测向准确度，而且不需要对天线的最小孔径进行限制，可以抵抗一定的波前失真，对极化误差不敏感。
测向天线系统包含天线阵元和有源接收机两部分：天线阵元包含若干个全向辐射单元，辐射单元通常由偶极子天线构成，由五个或八个阵元组成圆阵构成干涉仪天线阵列；有源接收机集成了电子罗盘、GPS定位模块以及射频衰减、移相开关网络。电子罗盘提供磁北方向，GPS模块提供当前天线所在坐标，射频接收模块能够对接收的阵列天线信号进行阵列运算和信号处理。相关干涉仪测向技术被广泛应用于军事通信定位、无线电频谱监测、电子对抗和国家安防等。
很多国家都推出了比较有代表性的测向产品：德国罗德施瓦茨公司推出了R&SADD系列干涉仪测向系统，采用多组天线阵元、多信道接收机、高分辨的信道化和多个测向体制融合的技术，用数字方式评估信号的来波方向，具有独特的技术优势，但在较低频段时，天线的体积会增大，难以用于车载的设备中。国内的干涉仪测向机也推出了一些性能不错的干涉仪测向机产品。华日HR-10车载式综合监测系统采用目前世界上先进的单通道相关干涉仪的方法测向，其测向准确度达到了国际先进水平。华日HR-03K三通道多模式测向系统频带覆盖30～3000MHZ，采用九元天线阵和三通道接收机，可以实现相关干涉仪和空间谱估计多模测向体制，具有高频率分辨率，可分离同频信号，同时测向速度快，可应对突发信号。华日HR-62X无人机机载空中监测测向系统，频率覆盖20MHz-3000MHz，使用双通道接收机和多元小孔径天线阵，减轻系统重量的同时具有较高的测向准确度。
相关干涉仪测向本质上是基于比相测角原理，天线间的连线定义为测向基线，简单的双天线测向示意图如图1所示，两个接收天线只包含一个测向基线(即单基线测向)，基线长度为d，假设来波方向与基线法线夹角为
可以得到AB两阵元间接收信号的相位差为：
其中λ为信号波长，δ为天线间接收相位差。根据测得的δ即可以反推实际信号到达角度
从公式(1)可以看出，频率和电磁波到达角一定的情况下d越大，接收相位差越大，亦即接收灵敏度越高，但是d超过半波长会导致测向模糊，因此理想的d应接近半波长。在高频段信号测向时，由于载波的波长非常小，无模糊测向要求阵元间距d也应该非常小，这在实际工程中是很难实现的，尤其是有宽带测向要求时，单基线测向体制难以同时兼顾高频和低频，因此需要引入多基线测向技术。
多基线测向技术需要多个天线单元按照一定布局组成阵列，最方便简洁的阵列为均匀圆阵，即各个天线单元按照正多边形组成测向阵列，多边形的顶点即为天线单元，连接各个天线单元形成长度不同的基线，多边形的边为最短基线，对应测试频率最高的信号(波长最短)，有助于消除测向模糊。最长的基线则用于提高系统的测向灵敏度，原则上即可在高频使用也可在低频使用。如图2所示为五单元多基线测向示意图，1、2、3、4、5表示五个天线单元，有两种基线长度，五边形的边为短基线6，而五角星的边为长基线7；图3是八单元多基线测向示意图，对于8单元阵列来说有四种不同的基线长度6、7、8、9。这种变基线的技术被当代干涉测向仪所采用，极大的提高了测向天线的分辨能力以及系统解相位模糊的能力。
业界测向天线采用偶极子天线，偶极子长度为半波长，在低频时，由于波长较差而导致天线尺寸大。
发明内容
本发明是针对目前的干涉仪测向天线采用偶极子天线带来的不足，提供一种基于干涉仪的测向微波信道组件。
本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种基于干涉仪的测向微波信道组件，天线阵和有源接收机，天线阵接收待测电磁波分别与有源接收机相连；所述的天线阵列包括均匀圆阵列安装于金属圆盘的天线底盘上的单极子天线；所述的单极子天线采用锥形结构，在锥形单极子天线的口上覆盖有圆形盖板，锥面和圆形盖板围成真空结构，在锥顶形成馈电孔与安装在天线底盘上的馈电SMA接头相连。
进一步的，上述的基于干涉仪的测向微波信道组件中：所述的锥面和圆形盖板材料使用聚酰亚胺，锥面与圆型盖板通过热压粘接为一体，在外表面镀金作为单极子的辐射体。
进一步的，上述的基于干涉仪的测向微波信道组件中：在直径300mm的天线底盘上均匀圆阵列安装8个锥形的单极子天线，临近天线单元间距92mm，最远天线单元间距240mm；在天线底盘背面引出8个SMA馈电点与有源电路连接。
进一步的，上述的基于干涉仪的测向微波信道组件中：在天线阵列的中心还设置有尖避雷针，所述的避雷针的高度高于各个锥形结构的单极子天线。
进一步的，上述的基于干涉仪的测向微波信道组件中：所述的有源接收机采用高增益低噪声系数的放大器对单极子天线的增益进行补偿，每个单极子天线接收天线到的信号立刻就近进行高增益放大。
进一步的，上述的基于干涉仪的测向微波信道组件中：采用配置为方位正北的单极子天线作为参考天线，其他7个单极子天线的输出信号分别经过移相器移相后与参考天线的信号相加，通过单路射频线输出合路信号送往干涉分析仪。
进一步的，上述的基于干涉仪的测向微波信道组件中：所述的移相器配置为0度、90度、180度和270度。
进一步的，上述的基于干涉仪的测向微波信道组件中：除参考单极子天线外，其它7个单极子天线经射频开关和低噪声放大合为一路，然后按频段再分配成进行0度相移的400-1100MHz分频段、进行90度相移的1100-2400MHz分频段、进行180度相移的2400-3600MHz分频段和进行270度相移的3600-6000MHz分频段。
进一步的，上述的基于干涉仪的测向微波信道组件中：所述参考单极子天线由10MHz参考晶振经多级放大器和功放放大至1W幅度后激励SRD瞬态恢复二极管，SRD瞬态恢复二极管产生10MHz间隔的梳状谱信号经开关和功分后形成八路校准信号并送往干涉仪接收机。
本发明中，天线采用单极子天线，有效降低了天线部分的高度，天线罩尺寸可达直径310mm，高度97mm，与业界同等级产品比较尺寸极大的缩小。
本发明采用中空聚酰亚胺单极子，极大的降低了产品的高度和重量，同时采用宽带IQ调制器替代昂贵的移相器。本发明采用无源接收和相关干涉体制的测向接收机，具有抗干扰性能强、隐蔽性好等优点，广泛地应用在无线电监测、物体追踪、电力系统等民用领域以及电子对抗支援、航空航海、军事通信侦查等领域。具有实现简单、成本低、体积重量小等优点，具有良好的应用价值。
本发明的基于干涉仪的测向微波信道组件具有如下特点：
1.天线采用单极子天线，有效降低了天线部分的高度；
2.单极子天线采用锥形结构，拓展了工作带宽；
3.锥形单极子采用中空的聚酰亚胺加工，减轻天线的重量；
4.单极子天线采用四根尼龙塑料支撑柱固定；
5.8单元天线采用圆形布阵，等角度布置；
6.干涉仪接收机采用IQ调制器实现宽带移相器功能；
7.采用梳状谱发生器实现校准源，为干涉仪有源电路进行校准；
8.采用玻璃钢材料设计天线罩。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。
附图说明
附图1双天线单基线测向原理示意图。
附图2五单元多基线测向示意图。
附图3八单元多基线测向示意图。
附图4是本发明实施例1单元天线阵列立体图。
附图5是本发明实施例1单元天线阵列正视图。
附图6是本发明实施例1单极子天线立体图。
附图7是本发明实施例1单极子天线结构透视图。
附图8是本发明实施例1单极子天线组装结构(立体图)。
附图9是本发明实施例1单极子天线组装结构(正视图)。
附图10是本发明实施例1单极子天线驻波图。
附图11-14是本发明实施例1单极子天线400MHz、1000MHz、2000MHz、6000MHz的辐射方向图。
附图15、16是本发明实施例1单元天线阵列背面图和正面图。
附图17是本发明实施例1避雷针安装示意图。
附图18是本发明实施例1射频放大器对天线进行增益补偿原理图。
附图19是本发明实施例1接收机的有源部分原理框图。
附图20是本发明实施例1接收机的校准源框图以及电子罗盘和GPS模块。
附图21、22分别为本发明实施例1接收机结构以及接收机与天线安装结构示意图的立体图和正视图。
附图23、24分别为本发明实施例1干涉仪接收机总体的两幅外形图。
附图25、26分别为本发明实施例1车载干涉仪测向接收机的两幅图。
具体实施方式
本实施例是一种基于干涉仪的测向微波信道组件，由天线阵和有源接收机组成，天线阵接收待测电磁波分别与有源接收机相连。
天线阵列如图4和图5所示：包括均匀圆阵列安装于金属圆盘的天线底盘20上的单极子天线10；单极子天线10采用锥形结构，在锥形单极子天线的口上覆盖有圆形盖板12，锥面11和圆形盖板12围成真空结构13，在锥顶形成馈电孔14与安装在天线底盘20上的馈电SMA接头16相连。
测向天线要求具有全向辐射性能，一般采用对称偶极子形式，本实施例为了减小天线的尺寸，采用单极子天线，以金属地参考面作为镜像面，降低天线的高度。为保证天线的宽带匹配，采用锥形单极子结构，可覆盖十倍以上的倍频程；为了减轻天线的重量，锥形单极子采用中空结构，材料使用聚酰亚胺，锥形结构与采用同样材料的圆型盖板通过热压粘接为一体，在外表面镀金作为单极子的辐射体，单极子天线10结构如图6和图7所示。图6为单极子天线10的结构图，图7为正视图。
锥面11和圆形盖板12材料使用聚酰亚胺，锥面与圆型盖板12通过热压粘接为一体，在外表面镀金作为单极子的辐射体。锥形单极子结构完成热粘接和镀金工艺之后即可以组装为单极子天线，其结构如图8和图9所示，图8是立体图，图9是正视图，图8和图9中的标号11为锥面，12是圆形盖板，另外还有尼龙支撑柱15，馈电SMA接头16和紧固螺钉17等。
单极子的馈电孔14与馈电SMA接头16连接，单极子通过四根尼龙支撑柱15支撑于天线底板20，使用紧固螺钉17将锥形的单极子天线10安装牢固。
单极子天线的驻波如图10所示，横坐标表示频率(GHz)，纵坐标是增益大小(dB)，在400MHz～6000MHz范围内驻波小于-3dB，其各个频点方向图如图11图14所示，其全向性能良好。
如图4和图5所示，在直径300mm的天线底盘20上均匀圆阵列安装8个锥形的单极子天线10，临近天线单元间距92mm，最远天线单元间距240mm；在天线底盘20背面引出8个SMA馈电点与有源电路连接。在天线阵列的中心还设置有尖避雷针19，所述的避雷针19的高度高于各个锥形结构的单极子天线10。避雷针19的安装如图17所示，利用避雷针紧固螺丝18固定在天线阵列的中心，避雷针19本身具有接闪尖端190。
本实施例中，有源接收机采用高增益低噪声系数的放大器对单极子天线的增益进行补偿，每个单极子天线10接收天线到的信号立刻就近进行高增益放大。由于测向接收天线400-6000MHz范围内驻波只达到-3dB，即最大有一半的辐射功率无法接收，势必会影响天线的增益和接收效率，为解决这一问题，本发明采用高增益低噪声系数的放大器对单极子天线的增益进行补偿，其设计框图如图18所示，每个接收天线到的信号端立刻就近进行高增益放大。
本实施例中，采用配置为方位正北的单极子天线10作为参考天线，其他7个单极子天线10的输出信号分别经过移相器移相后与参考天线的信号相加，通过单路射频线输出合路信号送往干涉分析仪。移相器配置为0度、90度、180度和270度。除参考单极子天线10外，其它7个单极子天线10经射频开关和低噪声放大合为一路，然后按频段再分配成进行0度相移的400-1100MHz分频段、进行90度相移的1100-2400MHz分频段、进行180度相移的2400-3600MHz分频段和进行270度相移的3600-6000MHz分频段。
本实施例中，按照干涉仪的架构体制，方位正北的单极子天线10(配置为方位正北)作为参考天线，其他7个天线单元的输出信号分别经过移相器移相后，移相器配置为0度、90度、180度和270度。与参考天线的信号相加，最终通过单路射频线输出合路信号送往干涉分析仪。上述信号干涉仪接收机由于使用了较多的有源器件(放大器、移相器等)，其幅频响应和相频响应对温度较为敏感，不同环境温度下接收机的幅度和相位均不同，同时随着系统的长时间使用，有源器件幅频响应和相频响应也会发生变化，系统的幅度和相位的偏移，导致测向灵敏度和测向准确度恶化。为解决这一问题，本发明引入自校准信号源，将校准信号通过射频开关逐路引入信号干涉仪接收机，由后端干涉分析仪对电路进行校准和归零，接收机的系统校准可随时随地进行，可确保接收机处于最佳工作状态。
参考单极子天线10由10MHz参考晶振经多级放大器和功放放大至1W幅度后激励SRD瞬态恢复二极管，SRD瞬态恢复二极管产生10MHz间隔的梳状谱信号经开关和功分后形成八路校准信号并送往干涉仪接收机。
图19为测向干涉仪接收机的有源部分原理框图，测向天线8个单元的接收信号除了参考天线以外的7路信号经多路射频开关和低噪声放大合为一路，然后按频段再分配四路(分别为400-1100MHz、1100-2400MHz、2400-3600MHz和3600-6000MHz四段)，分频段进行0度、90度、180度和270度移相，移相器由单片集成移相电路芯片或模拟IQ调制芯片实现，后端接数控衰减器进行频段调平。四频段信号经射频开关合路后与参考天线的接收信号相加后输出给信号干涉仪进行数据分析和相关运算。
如图20所示校准信号源由10MHz参考晶振经多级放大器和功放放大至1W幅度后激励SRD瞬态恢复二极管，二极管产生10MHz间隔的梳状谱信号经开关和功分后形成八路校准信号并送往接收机。测向干涉仪接收机还集成了电子罗盘和GPS模块，各路信号通过射频接口和控制电源接口与干涉分析仪对接。接收机与天线结构和电气安装如图21和图22所示，八个天线单元接收信号输出经同轴线与干涉仪接收机连接，接收机的输出信号通过同轴线输出，干涉仪接收机的电源和控制信号通过矩形接插件与外部相连。在天线底板20上有同轴电缆22将源接收机模块23的控制和电源接口24和射频信号输出接口25连接。
由于基于干涉仪的测向微波信道组件在户外使用，需将8单元天线和接收机密封于天线罩内，如图23、24所示。天线罩30采用玻璃钢制作，天线罩30安装在天线安装底座31上，玻璃钢具有良好的机械性能、防腐蚀性能以及较高的透波率，适合室外使用。天线安装底座31正面有控制和电源接口24、射频信号输出接口25和调试面板32。
车载干涉仪测40向接收机安装效果图如图25和图26所示，可安装用多种轿车和公务车车辆顶部。
本实施例的基于干涉仪的测向微波信道组件具有如下特点：
1.天线采用单极子天线，有效降低了天线部分的高度，天线罩尺寸为直径310mm，高度97mm，业界同等级产品R&SADD207的直径为350mm，高度310mm；
2.单极子天线采用锥形宽带结构，宽带驻波最差为-3dB，后接普通射频放大器即可完成接收信号的有效放大，无需使用有源天线设计；
3.锥形单极子采用中空的聚酰亚胺加工，减轻天线的重量，接收机整体重量为3kg，业界同等级产品R&SADD207总重量为7kg；
4.干涉仪接收机宽带移相器分四个频段完成，低频两个频段(400-1400MHz和1400-2400MHz)采用IQ调制器实现，降低了设计和生产的成本；
5.采用梳状谱发生器实现校准源，为干涉仪有源电路进行校准，业界相关产品没有自校准功能。
Claims (9)
1.一种基于干涉仪的测向微波信道组件，包括天线阵和有源接收机，天线阵接收待测电磁波分别与有源接收机相连；其特征在于：所述的天线阵列包括均匀圆阵列安装于金属圆盘的天线底盘(20)上的单极子天线(10)；所述的单极子天线(10)采用锥形结构，在锥形单极子天线的口上覆盖有圆形盖板(12)，锥面(11)和圆形盖板(12)围成真空结构(13)，在锥顶形成馈电孔(14)与安装在天线底盘(20)上的馈电SMA接头(16)相连。
2.根据权利要求1所述的基于干涉仪的测向微波信道组件，其特征在于：所述的锥面(11)和圆形盖板(12)材料使用聚酰亚胺，锥面与圆型盖板(12)通过热压粘接为一体，在外表面镀金作为单极子的辐射体。
3.根据权利要求2所述的基于干涉仪的测向微波信道组件，其特征在于：在直径300mm的天线底盘(20)上均匀圆阵列安装8个锥形的单极子天线(10)，临近天线单元间距92mm，最远天线单元间距240mm；在天线底盘(20)背面引出8个SMA馈电点与有源电路连接。
4.根据权利要求3所述的基于干涉仪的测向微波信道组件，其特征在于：在天线阵列的中心还设置有尖避雷针(19)，所述的避雷针(19)的高度高于各个锥形结构的单极子天线(10)。
5.根据权利要求4所述的基于干涉仪的测向微波信道组件，其特征在于：所述的有源接收机采用高增益低噪声系数的放大器对单极子天线的增益进行补偿，每个单极子天线(10)接收天线到的信号立刻就近进行高增益放大。
6.根据权利要求5所述的基于干涉仪的测向微波信道组件，其特征在于：采用配置为方位正北的单极子天线(10)作为参考天线，其他7个单极子天线(10)的输出信号分别经过移相器移相后与参考天线的信号相加，通过单路射频线输出合路信号送往干涉分析仪。
7.根据权利要求6所述的基于干涉仪的测向微波信道组件，其特征在于：所述的移相器配置为0度、90度、180度和270度。
8.根据权利要求7所述的基于干涉仪的测向微波信道组件，其特征在于：除参考单极子天线(10)外，其它7个单极子天线(10)经射频开关和低噪声放大合为一路，然后按频段再分配成进行0度相移的400-1100MHz分频段、进行90度相移的1100-2400MHz分频段、进行180度相移的2400-3600MHz分频段和进行270度相移的3600-6000MHz分频段。
9.根据权利要求7所述的基于干涉仪的测向微波信道组件，其特征在于：所述参考单极子天线(10)由10MHz参考晶振经多级放大器和功放放大至1W幅度后激励SRD瞬态恢复二极管，SRD瞬态恢复二极管产生10MHz间隔的梳状谱信号经开关和功分后形成八路校准信号并送往干涉仪接收机。
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