7.1概述7.2環形測向天線

7.3愛德考克天線7.4沃森—瓦特正交天線7.5角度計天線

7.6銳方向天線習題七

無線電測向就是利用無線電測量設備測定無線電信號的來波方向。

無線電測向廣泛應用于無線電頻譜管理、航空管理、尋的與導航、野生動物追蹤、電子對抗、業余無線電活動等方面。

無線電信號的來波方位信息可以從天線感應電勢的幅度、相位以及到達時間等多種參數中獲得，因此實現測向的方法很多。7.1概述

(1)幅度法測向。

(2)相位法測向。

(3)空間譜估計測向法。

在無線測向系統中，測向天線有很多種，例如下面將要介紹的環天線、愛德考克天線、角度計天線等，用于最小信號法測向。7.2.1單環天線

單環天線基本結構形式有圓形、方框形(正方形或長方形)、菱形等，如圖7-2-1所示垂直放置，其共同特點是天線以中心垂直軸線完全對稱，并且可以繞中心垂直軸自由

旋轉。

對于圓形環天線，第2章2.3節進行了分析。小環天線的方向圖如圖7-2-2所示。7.2環形測向天線圖7-2-1單環天線圖7-2-2小環天線方向圖(零輻射方向為環面法向)對于方框形天線，如圖7-2-3所示，用它來接收場強為E的垂直極化地波時，水平邊無感應電動勢產生，垂直邊AA′和BB′的感應電勢e1和e2振幅相等，由電波波程差引起的相位差為

(7-2-1)式中，d為兩垂直邊間距；θ為來波方向與環平面的夾角。因此，兩垂直邊AA′和BB′的感應電勢分別為

e1=Ehe-jψ/2

(7-2-2)

e2=Ehejψ/2(7-2-3)

則eab=e1-e2=-2jEhsin

(7-2-4)式中，h為垂直邊的有效高度。式中省略了時間因子ejωt。由上式可得水平面方向函數

(7-2-5)

在d/λ<<1的條件下，式(7-2-4)簡化為

(7-2-6)由上式可得歸一化方向函數

F(θ)=cosθ

(7-2-7)圖7-2-3方框形天線接收來波信號示意圖7.2.2復合環天線

環形天線水平轉動一周，將有兩個方向上是零接收點，這樣在測向過程中會出現“雙向”問題。為了解決這個問題，需要進行“單向”判決，工程上采用如圖7-2-4所示的復合環天線來實現這種功能。

中央垂直天線的接收電壓之所以經過π/2移相，是因為垂直天線的接收電壓為

e⊥=Eh⊥

(7-2-8)圖7-2-4復合環天線設計垂直天線有效高度使其感應電壓與環天線的感應電壓振幅相等，則垂直天線的水平面方向性(圓形)與環形天線的水平面方向性(“∞”形)相加后可得復合環天線方向函數為

f(θ)=1+cosθ(7-2-9)

其中θ=0°取在x軸方向，如圖7-2-4所示。復合環天線水平面方向圖為一心臟形的單方向性方向圖，如圖7-2-5(a)所示，因此可以確定目標的方位。圖7-2-5(b)為復合環天線的立體方向圖。圖7-2-5復合環天線方向圖(a)水平面方向圖；(b)立體方向圖7.2.3間隔雙環天線

環形天線有水平邊，對非垂直極化電波有作用，因此只有在接收以地波為主要傳播方式的電波時，才會有正常的“∞”形水平面方向特性。對于經電離層反射的短波，通常是橢圓極化的，水平邊的接收將使得方向圖不再是正常的“∞”形(稱之為極化效應)，而是要發生“小音點既偏轉又模糊”現象。

為此，采用如圖7-2-6所示的間隔雙環天線，其本質是陣元為環形天線的等幅反相二元陣，在間隔雙環天線的中間的對稱平面上對任意仰角方向的來波都是零接收，其原因是此時電波到達兩環之間的波程差為零，不管是垂直極化分量還是水平極化分量接收，兩個單環對應的輸出電壓都是等幅，而連接方式為反相，因此輸出結果都是零，不受電波極化情況的影響。圖7-2-6間隔雙環天線結構示意圖(a)共軸式；(b)共面式環天線的水平邊會接收天波中的水平極化分量，從而將破壞天線正常的“∞”形水平面方向特性，那么是否可以將環天線的水平邊去掉呢？1919年，F.Adcock提出了沒有水平邊的U形天線，以后又發展為H形天線，通稱為愛德考克天線(AdcockAntenna)，如圖7-3-1所示。7.3愛德考克天線圖7-3-1愛德考克天線(a)U形愛德考克天線；(b)H形愛德考克天線

U形愛德考克天線如果采用單饋線形式輸出，則該饋線會接收天波中的水平極化分量，為此對輸出饋線采取屏蔽或平衡措施，如圖7-3-1(a)所示。

利用等幅反相二元陣方向函數可得愛德考克天線的方向圖如圖7-3-2所示，天線中間的對稱平面上接收為零，這是因為對稱面上兩振子間的波程差為零，而連接方式為反相，因而造成零接收。圖7-3-2愛德考克天線方向圖環形天線和愛德考克天線采用最小信號法測向時，天線必須能夠繞中心軸旋轉，這使得測向系統工作時效性差。沃森—瓦特(Watson-Watt)提出了如圖7-4-1所示的測向方法，兩副固定的愛德考克天線(U形天線或H形天線)正交配置，分別位于東西、南北方位，兩天線接收電勢eEW和eNS分別輸入到雙信道接收機的信道Ⅰ和信道Ⅱ，雙信道接收機的信道Ⅰ和信道Ⅱ的輸出則分別加到陰極射線管的水平與垂直偏轉板，最后由陰極射線管顯示的亮線指示來波方位。7.4沃森—瓦特正交天線圖7-4-1沃森—瓦特測向原理

設兩副正交的測向天線具有相同的電參數，d為一副愛德考克天線的兩振子間距，且滿足dλ條件，參考式(7-2-6)，南北方位NS天線的接收電勢為

eNS=emcosθ

(7-4-1)

為簡單起見，式中用em表示與方向無關的量，即em=-j2πdEh/λ，h為振子有效高度，θ為來波與正北方向的夾角。同理，東西方位EW天線的接收電勢為

eEW=emcos(90°-θ)=emsinθ(7-4-2)兩天線接收電勢eEW和eNS分別送到增益和相位都完全平衡的雙通道接收機中放大，然后分別加到陰極射線管的水平和垂直偏轉板上，兩者同頻同相，所以在熒光屏上顯示為一直線，該顯示直線與垂直軸的夾角即為來波方位角，因為

(7-4-3)當天線不便于轉動時，可采用兩副正交配置的固定測向天線和角度計構成角度計天線，如圖7-5-1所示。天線部分通常是由兩副正交配置在南北和東西方位上的環天線或愛德考克天線(U形天線或H形天線)所組成，南北向配置的測向天線NS的輸出送到NS線圈，東西向配置的測向天線EW的輸出送到EW線圈。7.5角度計天線圖7-5-1角度計天線中間可旋轉的搜索線圈與固定NS線圈間的互感為

M1=M0cosα

(7-5-1)

式中，M0為最大互感;α為搜索線圈與NS線圈夾角。

搜索線圈與固定EW線圈間的互感為

M2=M0cos(90°-α)=M0sinα

(7-5-2)

南北方位天線的接收電勢eNS送入角度計的NS固定線圈。設線圈電感為L，損耗電阻為R，則回路阻抗Z=R+jωL，流過NS線圈的電流為

(7-5-3)

同理，流過EW線圈的電流為

(7-5-4)通過互感耦合，固定線圈的電流使搜索線圈產生感應電勢

(7-5-5)

其中利用了式(7-4-1)和式(7-4-2)。由上式可得方向函數為cos(θ-α)，當α等于來波方向θ時，感應電勢最大，而當

(7-5-6)圖7-5-2來波方向與搜索線圈感應電壓幅度的關系用8個垂直天線元組成Roche天線，如圖7-5-3所示，天線元N1與N2、S1與S2、E1與E2、W1與W2兩兩接收的電壓分別合成后等效為NS與EW兩副天線的輸出電壓。計算表明，其間距誤差比前面介紹的四元角度計天線低一個數量級，因此這種天線在中小型固定和車載、艦載等無線電測向中有比較廣泛的應用。圖7-5-3

Roche天線結構示意圖7.6.1均勻直線陣等分兩組后的和差方向特性

在第1.5.2節我們學習了均勻直線陣，N個相同的垂直振子以等間距d排列在一直線上，用作接收時，各陣元的感應電勢疊加后作為天線陣的輸出，其方向函數是

(7-6-1)7.6銳方向天線用銳方向天線測向的一個重要性能指標是半功率波瓣寬度2θ0.5,由Fn(θ0.5)=1/，可求得N比較大時2θ0.5的近似值

(7-6-2)

式中L=Nd為天線陣長度。半功率波瓣寬度2θ0.5越小，測向精度越高，因此可以通過增大d(同時滿足不出現柵瓣的條件)或增加N來減小2θ0.5

，但付出的代價是天線陣龐大復雜。

如圖7-6-1所示，將一個2N元均勻直線陣等分為兩個N元均勻直線陣A和B，對于θ方位的來波，由方向圖乘積定理，天線陣A與B取“和”輸出的方向函數為

(7-6-3)

式中,ψ是由波程差造成天線陣A和B接收電壓的相位差，ψ=Ndsinθ。圖7-6-1

2N元均勻直線陣等分兩組后的和/差輸出結構天線陣A與B取“差”輸出的方向函數為

(7-6-4)

顯然，f+(θ)就是一個2N元均勻直線陣的方向函數，而f-(θ)在天線的法線方向為零接收，在其附近的區域，接收方向特性的變化非常陡峭。

圖7-6-2所示為N＝6，d＝λ/4的天線方向圖。兩天線組取“差”后的方向特性f-(θ)將Fn(θ)的主瓣分裂成了兩個波瓣，在這兩個波瓣之間有一個零接收點，其附近區域有非常陡峭的變化率，根據這個零值接收點及其附近區域的變化來確定來波方位，可以達到很高的測向精度。圖7-6-2均勻直線陣的和/差方向圖(N=5,d=λ/4)(a)Fn(θ);(b)f-(θ);(c)f+(θ)7.6.2烏蘭韋伯爾天線

對于工作在短波波段的陣列測向天線，盡管利用均勻直線陣的和差方向特性，可以減少對天線元數目的需求，但是由于工作波長比較長，使得天線陣很長，在360°方位范圍內旋轉天線陣將非常困難;另外,其轉速也不