基于空间取样天线阵列的全极化干涉仪及其参数估计方法技术

本发明专利技术涉及宽带全极化天线阵列传感器装置及其测向技术领域，具体的说是一种可用于雷达和通信等无线电系统中的基于空间取样天线阵列的全极化干涉仪及其参数估计方法，其特征在于采用六单元超宽带线极化天线阵列，引入两种超宽带线极化天线类型，即超宽带的对数周期天线和超宽带的Vivaldi天线，它们分别对应超宽带的电流源和超宽带的磁流源的辐射，以减小单元之间的电磁耦合；天线单元个数N为6，天线单元为线极化天线形式，单元组成圆环形阵列，六单元线极化天线按照圆心呈现径向方式排列，每个天线单元具有不同的空间取向，本发明专利技术适用于星载、机载、弹载以其他相关的无线电测向系统，具有更为全面的参数测量功能和平台的适应性。

Full polarization interferometer based on space sampling antenna array and parameter estimation method thereof

The present invention relates to the technical field of wideband full polarization antenna array sensor device and its direction, in particular to a can be used in radar and communication system in radio polarimetric interferometer and its parameter estimation method of spatial sampling based on antenna array, which is characterized by six Dan Yuanchao broadband linear polarization antenna array, and introduced two kinds of ultra wideband line polarized antenna types, namely log periodic antenna ultra wideband and ultra wideband Vivaldi antenna radiation, which correspond to the current source of ultra wideband and ultra wideband magnetic current source, to reduce the electromagnetic coupling between the antenna unit; unit number N is 6, the antenna unit for linearly polarized antenna unit ring six linear polarization antenna array unit in accordance with the present arrangement of the radial center, each antenna element has a distinct spatial orientation, the invention is applicable to the satellite Airborne, missile borne and other related radio direction finding systems have more comprehensive function of measuring parameters and adaptability of platform.

【技术实现步骤摘要】
基于空间取样天线阵列的全极化干涉仪及其参数估计方法
：本专利技术涉及宽带全极化天线阵列传感器装置及其测向
，具体的说是一种可用于雷达和通信等无线电系统中的基于空间取样天线阵列的全极化干涉仪及其参数估计方法。
技术介绍
：无线电测向，无论在军事领域还是在民用领域都发挥着重要的作用。在军事领域，对港口、机场、军舰和导弹发射场地等军事设施的雷达、通讯、测控等无线电辐射源进行侦察定位，对实施针对性电子干扰和军事打击具有重要的价值；在民用领域，可在交通管制、生命救援、无线电频谱管理、动物迁徙特性监测等方面发挥重要作用。相位干涉仪测向是目前广泛应用的一种测向体制，它具有高灵敏度、高准确度、测向速度快等优点。它主要是利用测向天线阵元之间的相位差来计算来波方位的。测向的方法和种类很多，按天线的方向图大体可分为两类。一种是利用简单振子或天线阵列的一定方向性来测向；另一类是利用系统功能来测向，而对天线方向图没有特殊要求。前者通过旋转天线可找出某一方位天线感应电压最小，这种方式的测向的优点是：天线结构简单，尺寸小。缺点是：工作带宽窄，测向精度低。后者的测向体制可分为比幅法、比相法、比幅比相法、时差法和多普勒频率法等。干涉仪测向属于比相法的一种。相位干涉仪具有测向精度高、设备实现简单、测向速度快、平台适应性和移植性强等优点，已成为当前无线电测向领域的主流体制。传统的相位干涉仪一般采用单极化天线形式，仅能感知和测量入射电磁波的单极化信息，并且目前的技术水平已经较为成熟，在目标检测、参数测量和跟踪等方面的而技术指标相对稳定；为了适应新一代电子侦察与测向系统的技术要求，具有更为强大的多参数参量功能的干涉仪系统已成为测向领域重要的发展趋势。在电磁波所承载的信息中，除了幅度、相位和频率信息以外，极化特性是一种重要中的信息资源，它的利用将为无线电系统的性能提升发挥重要作用。在干涉仪测向系统中，采用双极化或者全极化的系统体制，将显著提高系统的目标检测、识别和抗干扰能力，会为研制新一代的干涉仪测向系统提供一条有效的技术途径。采用宽带双极化天线的无线电干涉仪系统是一种可行的实现波达方向和极化参数联合估计的有效手段，宽带双极化天线同时具备宽频带和双极化两种性能，是目前天线领域研究的热点之一。同时，考虑到电磁波极化信息的获取手段可以采用不同的手段，例如利用天线的空间取向不同，采用各向异性排列的天线阵列，依然可以感知入射电磁波的极化信息，这将成为获取辐射源全部电磁参数的有效技术手段之一。
技术实现思路
：本专利技术针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种可用于雷达和通信等无线电系统中的基于空间取样天线阵列的全极化干涉仪及其参数估计方法。本专利技术通过以下措施达到：一种基于空间取样天线阵列的全极化干涉仪，其特征在于采用六单元超宽带线极化天线阵列，引入两种超宽带线极化天线类型，即超宽带的对数周期天线和超宽带的Vivaldi天线，它们分别对应超宽带的电流源和超宽带的磁流源的辐射，以减小单元之间的电磁耦合；天线单元个数N为6，天线单元为线极化天线形式，单元组成圆环形阵列，六单元线极化天线按照圆心呈现径向方式排列，每个天线单元具有不同的空间取向。本专利技术中的对数周期天线为微带印刷电路结构，便于加工和制作，精度较高。对数周期天线属于周期性结构天线，具有超宽带的辐射特性和阻抗特性。对数周期天线的所有振子尺寸和振子之间的距离等天线构成要素都要遵循一定的比例关系。如果用τ来表示该比例系数，称τ为比例因子，则要求：式中Ln为第n个对称振子的全长；an为第n个对称振子的宽度；Rn为第n个对称振子到天线虚拟“顶点”的距离；n为对称振子的序列编号，从距离馈电点最远的振子算起，也就是最长的振子编号为“1”。本专利技术中，为了实现低频段的振子等分形曲折线，采用了不同的比例因子，这些比例因子表示为：采用曲折线技术后，对数周期天线的横向尺寸得到有效减小。本专利技术中，对低频振子采用曲折线结构，具体方法是控制矩形曲折线的分段个数和垂直于振子方向的折线高度，采用电磁仿真优化的方法，基于驻波比和方向图性能，确定曲折线振子的结构参数。在集合线底部，即靠近低频振子处，加载宽带匹配负载，吸收低频段的反射波信号，进一步改善低频段的电压驻波比性能。微带印刷对数周期偶极天线的设计是在一般对数周期天线的基础上，考虑微带基板的影响，增加微带基板后，天线的有效介电常数发生变化，因此，需要准确地求出有效介电常数，然后将其对应的参数进行变换，变换到介质板上后进行设计。有效介电常数可表示为：式中，εr为基板的介电常数，h为基板的厚度，w为集合线宽度，εe为有效介电常数，c为光速。本专利技术中的超宽带Vivaldi天线是指数渐变平面缝隙天线。渐变缝隙端射天线是一种表面波类型的行波天线，表面波沿着渐变缝隙传播，直到在末端开口处辐射出去；表面波的相速通常比光速小，因此这种天线属于慢波结构；这种天线在平行于介质层的面(E面)和垂直于介质层的面(H面)上都可以产生对称的方向图；这种天线的输入阻抗随频率变化不剧烈。一般地，Vivaldi天线的指数渐变曲线方程为：y＝±(c1eRx+c2)(10)式中，R为指数因子，它决定了天线的波束宽度。在x较大时，指数曲线的截断处能使天线工作频带内的导波辐射出去，而在x较小时，天线中的导波的能量会被束缚在天线的导体之间。天线低频端的截止波长可以确定为槽线最大宽度的2倍，而天线的高频段的特性则受到槽线最窄处宽度的限制。Vivaldi天线的增益与天线的总长度以及能量辐射的速度成比例关系。从增益方面考虑，要求天线中导体间的波速等于或超过天线周围介质空间中波的波速。这要求对行波天线进行相位超前补偿，通常这是由改变基底的介电常数实现的。Vivaldi天线的辐射是端射式的，电场矢量平行于介质基板，在它的两个主要的辐射面上辐射场是线性极化的，在E面和H面之间的平面上是椭圆极化。它的辐射场在E面和H面有几乎相同的波束宽度，具有很好的对称性，很低的旁瓣和交叉极化电平。本专利技术中设计的Vivaldi天线采用微带线转槽线的馈电方式，这是一种电磁耦合的馈电方式，带宽较宽；在天线阵列设计中，所有的天线单元的输出电缆均从阵列的底部输出，要求馈电端口位于天线单元的下方，因此，本专利技术将馈电的槽线弯折90度，槽线与地平面平行，微带线与槽线正交放置，实现电磁耦合，馈电微带线从印刷电路板的底部输出，即微带线与地面垂直；为了实现有效的阻抗匹配，获得良好的电压驻波比性能，在馈电线的耦合部分和输出均匀微带线之间增加一段均匀渐变的阻抗变换段。一种基于空间取样天线阵列的全极化干涉仪的参数估计方法，其特征在于以坐标o为原点，此时天线单元i的远区辐射电场可表示为：以坐标o为原点，此时天线单元i的远区辐射电场可表示为：假设入射信号为：式中，|Sin|和分别为入射信号的幅度和相位，γin和ηin分别为如射信号的幅度和相位极化角，于是，六个天线端口的接收输出电压可表示为：为了排除入射信号的幅度和相位对相位干涉仪测向和测极化参数的影响，采用单元之间的比较方法，即考察单元之间的幅度和相位极化差异，针对上述天线阵列结构，有6个天线端口，根据图论的知识，该天线阵列可组成连通图，可组成的支路数目为：节点数目为n＝6，于是采用树的分析方法，图中树的数目为n-1＝5，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空间取样天线阵列的全极化干涉仪，其特征在于采用六单元超宽带线极化天线阵列，引入两种超宽带线极化天线类型，即超宽带的对数周期天线和超宽带的Vivaldi天线，它们分别对应超宽带的电流源和超宽带的磁流源的辐射，以减小单元之间的电磁耦合；天线单元个数N为6，天线单元为线极化天线形式，单元组成圆环形阵列，六单元线极化天线按照圆心呈现径向方式排列，每个天线单元具有不同的空间取向。

【技术特征摘要】
1.一种基于空间取样天线阵列的全极化干涉仪，其特征在于采用六单元超宽带线极化天线阵列，引入两种超宽带线极化天线类型，即超宽带的对数周期天线和超宽带的Vivaldi天线，它们分别对应超宽带的电流源和超宽带的磁流源的辐射，以减小单元之间的电磁耦合；天线单元个数N为6，天线单元为线极化天线形式，单元组成圆环形阵列，六单元线极化天线按照圆心呈现径向方式排列，每个天线单元具有不同的空间取向。2.根据权利要求1所述的一种基于空间取样天线阵列的全极化干涉仪，其特征在于对数周期天线为微带印刷电路结构，对数周期天线的所有振子尺寸和振子之间的距离等天线构成要素都要遵循一定的比例关系，用τ来表示该比例系数，称τ为比例因子，则要求：式中Ln为第n个对称振子的全长；an为第n个对称振子的宽度；Rn为第n个对称振子到天线虚拟“顶点”的距离；n为对称振子的序列编号，从距离馈电点最远的振子算起，也就是最长的振子编号为“1”。3.根据权利要求2所述的一种基于空间取样天线阵列的全极化干涉仪，其特征在于为了实现低频段的振子等分形曲折线，采用了不同的比例因子，这些比例因子表示为：采用曲折线技术后，对数周期天线的横向尺寸得到有效减小，在集合线底部，即靠近低频振子处，加载宽带匹配负载，吸收低频段的反射波信号，进一步改善低频段的电压驻波比性能，有效介电常数可表示为：式中，εr为基板的介电常数，h为基板的厚度，w为集合线...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋立众，周辉媛，李赛，何露茜，王永建，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东,37