类天线辐射体对航空无线电测向精度影响分析

摘 要： 针对军用机场周边复杂多变的电磁环境，采用电磁波理论和信号传输经典算法分析了类天线辐射体二次辐射所产生的同相和异相辐射合成场型，重点研究同相和异相辐射合成场对航空无线电测向精度的影响估计与建模，并对影响结果进行了仿真验证。该研究对于航空无线电测向设备周边环境建设、测向误差分析与评估以及测向设备战术性能预测具有一定的指导意义。

关键词： 类天线； 辐射场； 航空无线电； 测向误差

中图分类号： TN975?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0009?03

Influence of similar?antenna radiator on aviation wireless direction?finding accuracy

XIE Hong?sen1， ZHANG Hai?ying2， LI Shu?dang3

（1. Qingdao Branch of Naval Aeronautical Engineering Institute， Qingdao 266041， China；

2. Aeronautical Training Base of Naval Aeronautical Engineering Institute， Qingdao 266050， China； 3. Unit 91917 of PLA， Beijing 102401， China）

Abstract： Aiming at the complicated electromagnetic environment around airdrome， the in?phase and out?phase synthetical field pattern produced by the secondary radiation of similar?antenna radiator is analyzed with electromagnetic wave theory and the classical signal transfer arithmetic. The Influence of in?phase and out?phase synthetical electric field on aeronautical radio direction?finding accuracy is researched emphatically. The model was established. The simulation validation of result was conduc?ted. The research has a certain reference value for the surrounding buildings， direction?finding error analysis， tactical performance forecast of aeronautical radio direction?finding equipment.

Keywords： similar?antenna； radiate field； aeronautical radio； direction?finding error

0 引 言

众所周知，不论是军用还是民用导航系统，对空中飞机实现无线电精确实时测向，保障飞机飞行安全至关重要。随着城市现代化建设的推进和发展，机场周边环境日趋复杂多样，尤其是机场无线电测角导航设备周围的物体（如天线、天线塔、机库、树林等），对测向精度产生较大影响。这些物体受到无线电入射波的激励产生二次辐射，其辐射场叠加到基本场上，使无线电发射台信号场波阵面发生畸变，合成场的波阵面法线方向不再是发射台真实方位，地面无线电测角设备进行方位测量时必然产生测向误差，影响到飞机的飞行安全。因此，利用电磁波理论和计算机仿真技术分析测向设备周边辐射体对无线电测角精度影响是非常必要的。

1 类天线辐射场经典算法

各种不同的物体（辐射体）产生的二次辐射，使无线电测向误差按不同规律变化，研究其变化规律，寻求减少误差途径，提高设备战术性能具有重要的现实意义。本文对机场测向设备周边类天线辐射体的影响进行经典分析，探索其影响变化规律。

假定A点放一部电台，B点放置具有环形天线测定该电台方位的测向器，C点为一个类天线辐射体，如图1所示。

设基本场的磁场是正弦函数，且在接收点为：[h1=H1sinωt。]

由于类天线辐射体的二次辐射场[H2]存在，且[H2]相对于基本场[H1]在空间上偏移了一个角度[α1，]在相位上相差[σ，]则：

[h2=H2sin（ωt-σ）]

其中[σ=σr+σi，][σr=（r2+l-r1）2πλ]是传播路程差所引起的相位移（通常很小），[σi]则是二次辐射体的电流相对于基本场的相位移。

图1 类天线辐射体同相场的影响

考虑到场的空间角位移和电的相位移叠加情况，接收点B处的合成场是[H1]和[H2]之和。为此，将[H2]分解为两个分量：一是与[H1]同相的同相分量[H′2，]二是与[H1]相差90°的异相分量[H″2，]其关系式为：

[H2=H′2sinωt-H″2cosωt]

其中[H′2=H2cosσ，][H″2=H2sinσ。]

2 同相辐射合成场估计与建模仿真

由图1可知，[H1]和[H′2]在相位上是同相的，且两个矢量的空间角度为[α1，]则合成场为：

[h=Hsinωt=H21+（H′2）2+2H1H′2cosα1sinωt]

合成场矢量[H]相对于基本场[H1]移动了一个角度[ΔP1，]即：

[ΔP1=arctgsinα1M1+cosα1]

式中[M1=H1H′2。]

很明显，最小接收将出现在环形天线的天线平面与合成场矢量[H]重合一致的位置上。在这种情况下，方位指示器指示该电台方位值必存在误差，电台的方位角读数并不是电台的真实方位[P，]而是[q，]相差[ΔP1，]即出现测向误差。

由于[α1=P-β，]故有：

[ΔP1=arctgsin（P-β）M1+cos（P-β）]

根据建立的相差[ΔP1]数学模型，为分析方便取[β=0°]（取其他角度值类同）采用计算机进行仿真，得出[ΔP1=f（P）]的函数曲线如图2所示，即相位差变化规律曲线。

从图2中可以看出，当[H′2]很大时，即[M1=1，]且[H1]和[H′2]是从相反的两个方向传来（[P=180°]）时，曲线的连续性破坏了。在这种情况下，不可能测向。当[H′2]减小，即[M1]变大时，测向误差[ΔP1]要变小。当[M1?1，]误差[ΔP1]数值很小，则上式简化为：

[ΔP1≈1M1sin（P-β）]

图2 [ΔP1=f（P）]的函数曲线仿真

假设行程差很小（[σr0]），则[σ=σi，]这时参量[M1]可以近似认为与角度[P]无关。由上式可以看出，当角度[P]变化（即电台方位变化）时，无线电误差[ΔP1]按谐波规律变化，其最大值为[1M1。][P]角变化一周，[ΔP1]两次通过零和最大值，称为半圆误差或二次误差。

值得指出，上述研究的误差[ΔP1]是在不考虑[σr]的情况下，是以谐振或弱失谐类天线辐射体为特征的，对强失谐类天线辐射体（这时[σ=90°]），[ΔP1]就不存在了。

3 异相辐射合成场估计与建模仿真

同样将同相分量[H′2]和基本场[H1]的合成场[H]进一步同异相分量[H″2]进行叠加。由于这两个场在空间上相差角度为[α2=α1-δ，]相位上相差90°，因此合成场将是椭圆极化场。总合成场矢量大小是变化的，并以接收振荡的角频率旋转，如图3所示。

总的矢量表示为：

[Hδ=H2sin2ωt+（H″2）2cos2ωt+2HH″2cosα2sinωtcosωt]

从图3可以看出，表示这一矢量的瞬时位置的角度[ψ]可确定为：

[ψ=arctgsinα2M2tgωt+cosα2]

对于这样的场矢量，转动环形天线时，只能有最大的和最小的接收位置，而不存在零值接收位置，就是说发生了最小值模糊或者说最小值钝化。

图3中当环形天线的天线平面与矢量椭圆的长轴方向一致时，接收电动势最小，此时天线平面的法线方向指出了电台方位[θ]（有误差）。环形天线平面的法线指向为任一[θ]时，它接收到的异相场的电动势[e2]和同相场的电动势[e1]分别为：

[e2=ε2sin（θ-β）cosωt]

[e1=ε1sin（θ-γ）sinωt]

图3 类天线辐射体异相场的影响

合成场的电动势为[εθ]（其中[M2=HH]）：

[εθ=ε2M22sin2（θ0-q）+sin2（θ-β）]

对上式微分，并令它等于零，可得出最小接收方位[θ0，]而[（θ0-q）]是在异相分量影响下所引起的新的无线电误差[ΔP2。]经计算可得：

[tg（2ΔP2）=sin2（P-ΔP1-β）M22+cos2（P-ΔP1-β）]

一般情况下，[M2?1，]同时[ΔP2]很小，上式可近似简化为：

[ΔP2=12M22sin2（P-ΔP1-β）]

为明显地看出异相分量引起的无线电误差的误差特性，假定[ΔΡ1=0，][β=0，]此时[ΔΡ2]的误差曲线图仿真如图4所示。

图4 [ΔΡ2]的误差曲线仿真图

很明显，所测的电台方位在360°范围变化时，误差[ΔΡ2]四次达到最大值，四次过零，称为四次误差（或象限误差）。当同相误差存在时（[ΔP1≠0]），[ΔP2]与电台方位[P]的关系更复杂，但仍保持四次特性不变，这时总的误差曲线可以通过半圆误差曲线和四次误差曲线叠加得到。总的误差[ΔP]为：

[ΔP=ΔP1+ΔP2]

可见，异相分量对测向有两个影响：

（1） 在同相分量影响的基础上，产生一个附加的偏移[ΔP2；]

（2） 使得最小值接收发生模糊。

4 结 语

本文基于电磁波理论和信号传输模型研究了类天线辐射体二次辐射所产生的同相和异相辐射合成场对无线电测向精度的影响，并对影响结果进行了分析估计与仿真验证。对于多个不同角位置、二次辐射场不同的情况下作用到同一个无线电测向器上，其相应分量可采用几何加法进行迭加，其影响分析与仿真同单个辐射体情况相同。该方法对于无线电测向设备周边环境分析、测向误差分析以及评价设备战术性能与预测具有一定的指导意义。

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