《天线与电波传播》第7章

7.1概述7.2环形测向天线

7.3爱德考克天线7.4沃森—瓦特正交天线7.5角度计天线

7.6锐方向天线习题七

无线电测向就是利用无线电测量设备测定无线电信号的来波方向。

无线电测向广泛应用于无线电频谱管理、航空管理、寻的与导航、野生动物追踪、电子对抗、业余无线电活动等方面。

无线电信号的来波方位信息可以从天线感应电势的幅度、相位以及到达时间等多种参数中获得，因此实现测向的方法很多。7.1概述

(1)幅度法测向。

(2)相位法测向。

(3)空间谱估计测向法。

在无线测向系统中，测向天线有很多种，例如下面将要介绍的环天线、爱德考克天线、角度计天线等，用于最小信号法测向。7.2.1单环天线

单环天线基本结构形式有圆形、方框形(正方形或长方形)、菱形等，如图7-2-1所示垂直放置，其共同特点是天线以中心垂直轴线完全对称，并且可以绕中心垂直轴自由

旋转。

对于圆形环天线，第2章2.3节进行了分析。小环天线的方向图如图7-2-2所示。7.2环形测向天线图7-2-1单环天线图7-2-2小环天线方向图(零辐射方向为环面法向)对于方框形天线，如图7-2-3所示，用它来接收场强为E的垂直极化地波时，水平边无感应电动势产生，垂直边AA′和BB′的感应电势e1和e2振幅相等，由电波波程差引起的相位差为

(7-2-1)式中，d为两垂直边间距；θ为来波方向与环平面的夹角。因此，两垂直边AA′和BB′的感应电势分别为

e1=Ehe-jψ/2

(7-2-2)

e2=Ehejψ/2(7-2-3)

则eab=e1-e2=-2jEhsin

(7-2-4)式中，h为垂直边的有效高度。式中省略了时间因子ejωt。由上式可得水平面方向函数

(7-2-5)

在d/λ<<1的条件下，式(7-2-4)简化为

(7-2-6)由上式可得归一化方向函数

F(θ)=cosθ

(7-2-7)图7-2-3方框形天线接收来波信号示意图7.2.2复合环天线

环形天线水平转动一周，将有两个方向上是零接收点，这样在测向过程中会出现“双向”问题。为了解决这个问题，需要进行“单向”判决，工程上采用如图7-2-4所示的复合环天线来实现这种功能。

中央垂直天线的接收电压之所以经过π/2移相，是因为垂直天线的接收电压为

e⊥=Eh⊥

(7-2-8)图7-2-4复合环天线设计垂直天线有效高度使其感应电压与环天线的感应电压振幅相等，则垂直天线的水平面方向性(圆形)与环形天线的水平面方向性(“∞”形)相加后可得复合环天线方向函数为

f(θ)=1+cosθ(7-2-9)

其中θ=0°取在x轴方向，如图7-2-4所示。复合环天线水平面方向图为一心脏形的单方向性方向图，如图7-2-5(a)所示，因此可以确定目标的方位。图7-2-5(b)为复合环天线的立体方向图。图7-2-5复合环天线方向图(a)水平面方向图；(b)立体方向图7.2.3间隔双环天线

环形天线有水平边，对非垂直极化电波有作用，因此只有在接收以地波为主要传播方式的电波时，才会有正常的“∞”形水平面方向特性。对于经电离层反射的短波，通常是椭圆极化的，水平边的接收将使得方向图不再是正常的“∞”形(称之为极化效应)，而是要发生“小音点既偏转又模糊”现象。

为此，采用如图7-2-6所示的间隔双环天线，其本质是阵元为环形天线的等幅反相二元阵，在间隔双环天线的中间的对称平面上对任意仰角方向的来波都是零接收，其原因是此时电波到达两环之间的波程差为零，不管是垂直极化分量还是水平极化分量接收，两个单环对应的输出电压都是等幅，而连接方式为反相，因此输出结果都是零，不受电波极化情况的影响。图7-2-6间隔双环天线结构示意图(a)共轴式；(b)共面式环天线的水平边会接收天波中的水平极化分量，从而将破坏天线正常的“∞”形水平面方向特性，那么是否可以将环天线的水平边去掉呢？1919年，F.Adcock提出了没有水平边的U形天线，以后又发展为H形天线，通称为爱德考克天线(AdcockAntenna)，如图7-3-1所示。7.3爱德考克天线图7-3-1爱德考克天线(a)U形爱德考克天线；(b)H形爱德考克天线

U形爱德考克天线如果采用单馈线形式输出，则该馈线会接收天波中的水平极化分量，为此对输出馈线采取屏蔽或平衡措施，如图7-3-1(a)所示。

利用等幅反相二元阵方向函数可得爱德考克天线的方向图如图7-3-2所示，天线中间的对称平面上接收为零，这是因为对称面上两振子间的波程差为零，而连接方式为反相，因而造成零接收。图7-3-2爱德考克天线方向图环形天线和爱德考克天线采用最小信号法测向时，天线必须能够绕中心轴旋转，这使得测向系统工作时效性差。沃森—瓦特(Watson-Watt)提出了如图7-4-1所示的测向方法，两副固定的爱德考克天线(U形天线或H形天线)正交配置，分别位于东西、南北方位，两天线接收电势eEW和eNS分别输入到双信道接收机的信道Ⅰ和信道Ⅱ，双信道接收机的信道Ⅰ和信道Ⅱ的输出则分别加到阴极射线管的水平与垂直偏转板，最后由阴极射线管显示的亮线指示来波方位。7.4沃森—瓦特正交天线图7-4-1沃森—瓦特测向原理

设两副正交的测向天线具有相同的电参数，d为一副爱德考克天线的两振子间距，且满足dλ条件，参考式(7-2-6)，南北方位NS天线的接收电势为

eNS=emcosθ

(7-4-1)

为简单起见，式中用em表示与方向无关的量，即em=-j2πdEh/λ，h为振子有效高度，θ为来波与正北方向的夹角。同理，东西方位EW天线的接收电势为

eEW=emcos(90°-θ)=emsinθ(7-4-2)两天线接收电势eEW和eNS分别送到增益和相位都完全平衡的双通道接收机中放大，然后分别加到阴极射线管的水平和垂直偏转板上，两者同频同相，所以在荧光屏上显示为一直线，该显示直线与垂直轴的夹角即为来波方位角，因为

(7-4-3)当天线不便于转动时，可采用两副正交配置的固定测向天线和角度计构成角度计天线，如图7-5-1所示。天线部分通常是由两副正交配置在南北和东西方位上的环天线或爱德考克天线(U形天线或H形天线)所组成，南北向配置的测向天线NS的输出送到NS线圈，东西向配置的测向天线EW的输出送到EW线圈。7.5角度计天线图7-5-1角度计天线中间可旋转的搜索线圈与固定NS线圈间的互感为

M1=M0cosα

(7-5-1)

式中，M0为最大互感;α为搜索线圈与NS线圈夹角。

搜索线圈与固定EW线圈间的互感为

M2=M0cos(90°-α)=M0sinα

(7-5-2)

南北方位天线的接收电势eNS送入角度计的NS固定线圈。设线圈电感为L，损耗电阻为R，则回路阻抗Z=R+jωL，流过NS线圈的电流为

(7-5-3)

同理，流过EW线圈的电流为

(7-5-4)通过互感耦合，固定线圈的电流使搜索线圈产生感应电势

(7-5-5)

其中利用了式(7-4-1)和式(7-4-2)。由上式可得方向函数为cos(θ-α)，当α等于来波方向θ时，感应电势最大，而当

(7-5-6)图7-5-2来波方向与搜索线圈感应电压幅度的关系用8个垂直天线元组成Roche天线，如图7-5-3所示，天线元N1与N2、S1与S2、E1与E2、W1与W2两两接收的电压分别合成后等效为NS与EW两副天线的输出电压。计算表明，其间距误差比前面介绍的四元角度计天线低一个数量级，因此这种天线在中小型固定和车载、舰载等无线电测向中有比较广泛的应用。图7-5-3

Roche天线结构示意图7.6.1均匀直线阵等分两组后的和差方向特性

在第1.5.2节我们学习了均匀直线阵，N个相同的垂直振子以等间距d排列在一直线上，用作接收时，各阵元的感应电势叠加后作为天线阵的输出，其方向函数是

(7-6-1)7.6锐方向天线用锐方向天线测向的一个重要性能指标是半功率波瓣宽度2θ0.5,由Fn(θ0.5)=1/，可求得N比较大时2θ0.5的近似值

(7-6-2)

式中L=Nd为天线阵长度。半功率波瓣宽度2θ0.5越小，测向精度越高，因此可以通过增大d(同时满足不出现栅瓣的条件)或增加N来减小2θ0.5

，但付出的代价是天线阵庞大复杂。

如图7-6-1所示，将一个2N元均匀直线阵等分为两个N元均匀直线阵A和B，对于θ方位的来波，由方向图乘积定理，天线阵A与B取“和”输出的方向函数为

(7-6-3)

式中,ψ是由波程差造成天线阵A和B接收电压的相位差，ψ=Ndsinθ。图7-6-1

2N元均匀直线阵等分两组后的和/差输出结构天线阵A与B取“差”输出的方向函数为

(7-6-4)

显然，f+(θ)就是一个2N元均匀直线阵的方向函数，而f-(θ)在天线的法线方向为零接收，在其附近的区域，接收方向特性的变化非常陡峭。

图7-6-2所示为N＝6，d＝λ/4的天线方向图。两天线组取“差”后的方向特性f-(θ)将Fn(θ)的主瓣分裂成了两个波瓣，在这两个波瓣之间有一个零接收点，其附近区域有非常陡峭的变化率，根据这个零值接收点及其附近区域的变化来确定来波方位，可以达到很高的测向精度。图7-6-2均匀直线阵的和/差方向图(N=5,d=λ/4)(a)Fn(θ);(b)f-(θ);(c)f+(θ)7.6.2乌兰韦伯尔天线

对于工作在短波波段的阵列测向天线，尽管利用均匀直线阵的和差方向特性，可以减少对天线元数目的需求，但是由于工作波长比较长，使得天线阵很长，在360°方位范围内旋转天线阵将非常困难;另外,其转速也不