瞬時測向技術(shù)是電子戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其作用是快速測定敵方雷達(dá)的方位，引導(dǎo)干擾天線波束隨時對準(zhǔn)敵方雷達(dá)，以達(dá)到高效壓制干擾的目的。瞬時測向系統(tǒng)的難點(diǎn)在于對各種原因?qū)е碌南辔徽`差、角度誤差進(jìn)行校正，保證在寬頻帶范圍具有良好的測向視角和精度。本文介紹的二維瞬時測向系統(tǒng)由兩個完全相同的三基線干涉儀測向通道組成,能快速測量X波段雷達(dá)的水平和垂直方位，在8 GHz~12 GHz范圍內(nèi)均能達(dá)到±60°的視角和±1°的精度。同時系統(tǒng)對天線尺寸、安裝的要求比較低，能滿足機(jī)載、彈載的要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計
1.1 系統(tǒng)構(gòu)成
    該瞬時測向系統(tǒng)采用三基線干涉儀測向原理[1]， 在水平、垂直方向各放置4個平面螺旋天線，通過比較水平、垂直方向測向通道輸出的同一脈沖信號的相位差來計算目標(biāo)雷達(dá)的二維方位。每個測向通道包括有天線陣列、X波段放大器、鑒相器、視頻放大器、編碼電路等單元。系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。

    由上式可知，測向誤差由相位誤差、頻率測量誤差、基線長度誤差等部分組成，而后兩項(xiàng)因素引起的測向誤差與第一項(xiàng)相比要小得多，可忽略不計。
　
    因?yàn)榭赏ㄟ^硬件、軟件方法對相位誤差進(jìn)行校正，且測向誤差的指標(biāo)是工作空域和工作頻率范圍的均方統(tǒng)計值，所以測向精度可以滿足指標(biāo)要求。
1.3 接收靈敏度計算
   對寬帶干涉儀測向而言，因前端有高增益限幅放大器，故靈敏度不受增益限制，而是受噪聲限制。由測向精度分析可見，當(dāng)輸入雷達(dá)信號的信噪比不低于20 dB時，由噪聲引起的干涉儀測向誤差將大大降低，其受噪聲限制的測向靈敏度為：
    P_rmin=KTF(2Br Bv)1/2D         (4)
式(4)中,Br為射頻帶寬，取為4 000 MHz；Bv為視頻帶寬，取為10 MHz； F為測向前端的噪聲系數(shù), 取為4 dB；D為信噪比, 取為20 dB。由此可計算出最高接收靈敏度為-65.5 dBm。
2 組件設(shè)計
2.1 天線陣列
    天線陣列選為線性陣，要求單元天線的相位一致性好，具有較寬的波束寬度，適合不同極化方式的目標(biāo)偵收、體積小，重量輕等。平面螺旋天線是干涉儀測向天線陣列中最普遍使用的單元天線,具有較寬的射頻帶寬、恒定的波束寬度和圓極化性能等優(yōu)點(diǎn)，而且其相位中心在螺旋面上，因而具有優(yōu)良的相位特性,天線的相位一致性好。其缺點(diǎn)是天線增益較低，但因測向接收機(jī)中具有高增益低噪聲限幅放大器,可以彌補(bǔ)天線增益的不足，滿足靈敏度的要求,故平面螺旋天線仍為干涉儀測向天線陣中單元天線的最佳選擇。平面螺旋天線的主要技術(shù)指標(biāo)為：X波段，增益大于0 dB，波束寬度±60°，相位一致性優(yōu)于±10°，天線口面Φ為13 mm。
     天線陣列由二維共8個平面螺旋天線組成，兩組天線以相互垂直的方式安裝，可以對前方±60°圓錐范圍內(nèi)的到達(dá)射頻信號進(jìn)行快速測向。每個方向的天線陣列采用二次諧波關(guān)系的間隔布置單元天線[3]，l1=1.443 cm，l2=2l1=2.886 cm，l3=4l1=5.772 cm，如圖2所示。

2.2 測向前端

    測向前端有兩套,分別用于水平方向和垂直方向。測向前端由一個四通道X波段放大器、一個四功分器和3個鑒相器組成?；鶞?zhǔn)信號經(jīng)基準(zhǔn)天線和限幅放大后功分3路，分別與其他3路天線過來的放大信號進(jìn)行鑒相，輸出3路正交的相差信號。為保證各接收通道的延遲和相位嚴(yán)格一致，各功能組件之間采用盡量等長電纜連接，最后借助矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過調(diào)整連接到天線的4根電纜長度來精確修正各通道相位。測試結(jié)果表明各通道相位差小于10°，達(dá)到設(shè)計要求。
    四通道X波段放大器采用限幅放大器，對每個通道的幅相一致性要求很高。采用四個通道腔體一體化的設(shè)計，通道之間距離盡量減小，并采用凹槽以增加隔離距離。經(jīng)測試，四通道的增益均大于53 dB，通道之間增益不一致性小于2 dB。
    鑒相器由相關(guān)器、4個平方律檢波器以及2個差分輸入、差分輸出的視頻放大器組成，采用多層結(jié)構(gòu)電路設(shè)計，實(shí)現(xiàn)耦合器的寬邊耦合。鑒相器的實(shí)物及視頻輸出如圖3所示。

    差分放大器對測向前端輸出的相差信號進(jìn)行視頻放大，增益約為40 dB，帶寬為10 MHz。求反正切函數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)的多個抽頭信號送入比較器，產(chǎn)生格雷編碼[2]并送入FPGA進(jìn)行角度解算。MCU主要完成角度的校正，通過串口實(shí)現(xiàn)RS422通信，輸入頻率碼或輸出二維方位碼。差分放大器輸出的相差信號分別是相位差?漬的正、余弦函數(shù)，通過求反正切函數(shù)可計算出相位差?漬，進(jìn)而計算出方位角θ。
    測向算法主要完成反正切函數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)的格雷編碼、各接收支路相位差的校正、角度編碼和角度校正等功能，其流程圖如圖5所示。

    編碼時，用長支路的32 bit比較器輸出直接產(chǎn)生角度碼的低6 bit，然后高位要依次進(jìn)行校正編碼。以長支路同步校正中支路，中支路同步校正短支路，最后產(chǎn)生8 bit的角度碼輸出。
   要在X波段全頻帶內(nèi)保證測向的視角和精度，需對頻率的變化、微波通道的相位不平衡等原因造成的各支路相位差進(jìn)行校正，這也是瞬時測向系統(tǒng)研制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。系統(tǒng)除采用電纜匹配等硬件校正方法外，還采用軟件算法進(jìn)行校正，大大減輕了硬件調(diào)試的工作量。各支路相位差校正的主要內(nèi)容如下：
    (1)雷達(dá)信號頻率的變化引起各支路相位差的變化；
    (2)各支路微波通道的相位不平衡導(dǎo)致的相位差；
    (3)天線陣列的互耦效應(yīng)造成的各支路相位差，短支路尤為明顯。
    另外還需根據(jù)測試結(jié)果對8 bit角度編碼進(jìn)行校正。角度校正的主要內(nèi)容如下：
    (1)由于天線的尺寸誤差、安裝的位置誤差等因素造成的角度編碼的整體偏差；
    (2)由于器件的特性等因素造成的角度編碼在特定方位區(qū)域的偏差；
    (3)各支路在編碼翻轉(zhuǎn)區(qū)域容易產(chǎn)生的奇異點(diǎn)。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    將瞬時測向系統(tǒng)放置在轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺可水平轉(zhuǎn)動，以模擬目標(biāo)雷達(dá)方位角的變化。信號源（模擬目標(biāo)雷達(dá)）放置在3.5 m遠(yuǎn)處，通過X波段喇叭天線（增益20 dB）發(fā)射脈沖信號, 設(shè)置參數(shù)為: 頻率8 GHz~12 GHz, 功率-16 dBm，重復(fù)頻率10 kHz，占空比50%。測試的結(jié)果如表2所示。

    從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)在8 GHz~12 GHz頻帶內(nèi)均滿足±60°視角和±1°精度的技術(shù)要求。另外,實(shí)測接收靈敏度為-63.4 dBmW,滿足-60 dBmW的設(shè)計指標(biāo)要求。
    瞬時測向系統(tǒng)的各接收通道之間存在相位不平衡，且會隨著溫度等環(huán)境條件的改變而變化，如何進(jìn)行校正是研制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。除通過調(diào)節(jié)電纜長度、增加恒溫裝置等硬件措施外，采用軟件算法也能達(dá)到比較好的效果。
    三基線干涉儀瞬時測向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡單，體積較小，成本也較低，適合小型機(jī)載、彈載平臺的使用，主要缺點(diǎn)是不能對多個雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行識別。該瞬時測向系統(tǒng)已在大功率電子干擾機(jī)、反輻射導(dǎo)引頭等多個項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，效果良好。
參考文獻(xiàn)
[1] 馮小平，李鵬，楊紹全. 通信對抗原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.
[2] 胡來招. 瞬時測頻[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.
[3] 魏星，萬建偉，皇甫堪. 基于長短基線干涉儀的無源定位系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2007，29（5）：22-35.
[4] 周亞強(qiáng)，皇甫堪.噪聲條件下數(shù)字式多基線相位干涉儀解模糊問題[J].通信學(xué)報, 2005,26(8):16-21.
[5] 季曉光， 高曉光. 一種機(jī)載無源定位方法—干涉儀定位[J].火力與指揮控制，2008，33(11)：158-161.
[6] ERNEST J. Ambiguity resolution in interferometer[J]. IEEE Trans.AES,1981,l17(6):766-780.
[7] MALLOY N J. Analysis and synthesis of general planar interferometer arrays[A].IEEE ICASSP[C].1983:352-355.