无线电通信测向中的极化误差分析

无线电通信测向中的极化误差分析
刘万洪;宋正来;候小江;韩健
【摘要】无线电通信测向中,因极化效应而产生测向误差不容忽视.通过论述测向中极化误差的各种相关因素,分析非正常极化波所引起的测向误差及地面反射波与直射波的相位滞后等问题,分析无线电测向中的极化误差产生基理,并结合实际应用提出减小极化误差的措施,提出采取取平均值法和相应的测向体制以解决在无线电测向中减小极化误差的方法.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2007(030)013
【总页数】3页(P43-45)
【关键词】电波传播;无线电测向;极化误差;取平均值法;阿德柯克天线
【作者】刘万洪;宋正来;候小江;韩健
【作者单位】解放军63888部队,河南,济源,454650;解放军63888部队,河南,济源,454650;解放军63888部队,河南,济源,454650;解放军63888部队,河南,济源,454650
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
1 概述
在通信对抗测向试验中，根据配试装备所发射的无线电波在被试装备的接收天线端
所感应的无线电信号强度分析而判定配试装备的方位。

如果从配试装备到被试装备之间的无线电波的传播没有受到其他外来因素的影响，那么所测得的方位值应该是比较准确的。

但实际工作中的情况并非是理想的，无线电波在传播过程中由于受到诸如电离层的分布状况、地磁场、空间电磁波干扰等因素的影响，从而产生测向误差。

通常的中波、短波测向中，到达测向天线体系处的电磁波，除了正常极化的地波外，还有来自电离层的反射波(天波)。

天波往往是非正常极化波。

他既有垂直极化分量，又有水平极化分量。

这种非正常极化波的电场(磁场)的各个分量的振幅和相位关系也是随时变化的。

在长、中、短波测向中，大多数以接收垂直极化波的天线体系来测向。

这种测向机对于具有任意极化角和波前倾角的无线电波进行测向时，会同时对垂直极化波和水平极化波产生接收。

由于所用的天线体系对垂直分量和水平分量接收的方向特性图是不相同的，因此其合成方向特性图会发生畸变，从而产生测向误差。

这种误差称为极化误差。

因为电离层参数是随时间变化的，所以极化误差也必然随时间变化。

天线体系的水平馈线也会对水平极化场产生接收，形成极化误差。

中波和长波到夜间都是由E层反射回地面的。

因此，在这些工作波段夜间产生很严重的极化误差。

在无线电测向中，把这种现象称为夜间效应。

极化误差与测向机和被测目标台之间的距离有关。

当距离近时，地波占优势，极化误差很小。

随着距离的增加，天波的比重增加，地波逐渐减小，极化误差也随之增加。

待到地波己全部衰减，而仅靠天波来测向时，由于在这个区间反射波是很陡地入射，形成一个测向不稳定的区域。

在该区域就不能满意地进行测向。

当距离继续增大时，天波的波前倾角随之下降，极化误差亦开始减小，测向准确度也随之提高。

2 极化误差分析
2.1 非正常极化波所引起的测向误差分析
为了揭示一般规律，同时考虑地波和天波对测向的影响，假设地波为椭圆极化波，并且将其分解为垂直分量E1和传播面内的水平分量E2ejφ1，而地波中垂直于传
播面的水平分量在远离发射机的地方衰减为零。

天波包含下列几个分量：垂直电场E01ejφ01；位于传播面内的水平电场E02ejφ02；垂直于传播面的水平电场
E03ejφ03。

又设对传播面内的电场分量而言，天线体系的有效高度和方向特性分别为H1，
F1(α,θ,β)；对垂直于传播面的电场分量而言，同一天线体系的有效高度和方向特
性分别为H2，F2(α,θ,β)。

其中，θ为被测电台的真实方位角，α为被测电台的实际测量出的示向度。

如果令R1,Ψ1为垂直极化电场分量的地面反射系数的模数和幅角；R2,Ψ2为水平极化电场分量的地面反射系数的模数和幅角；η1，η2为垂直场和水平场的地面反射波相对于直射波的相位滞后角；G为示向度算子;g为获得示向度所要求的结果，那么，通常读取示向度的条件可表示为：
G{E1H1F1(α,θ,β=0)+ E2ejφ1H2F1(α,θ,β=90°)
+E01ejφ01(1+R1ej(Ψ1+η1))·H1F1(α,θ,β)
+ E02ejφ02(1+R1ej(Ψ1+η2) )H2F1(α,θ,β=90°)
+ E03ejφ03(1+R2ej(Ψ2+η2)) H2F2(α,θ,β)}
=g
(1)
2.2 地面反射波与直射波的相位滞后问题
设接收天线架设在高度为h的C处(如图1所示)，则经地面的反射波相对于直射
波来说，相位滞后可表示为：
η=Kc(AB+BC)=KcAD=2Kchsin β
图1 地面反射波与直射波
显然，式中的AB，BC是地面反射波比直射波多经过的距离，D点为C点的镜像，且BC=BD。

2.3 测向天线的方向特性和有效高度问题
测向机天线体系的方向特性F(α,θ,β)有时可写成两个方向特性的乘积的形式。

即:
F(α,θ,β)=φ(α,θ)f(β)
其中，φ(α,θ)为水平方向特性；f(β)为垂直方向特性。

对于n根间隔垂直天线组成的测角系统来说，当天线间距小于工作波长时，有:
F1(α,θ,β)=sin(α-θ)cos β
F2(α,θ,β)=cos(α-θ)
其中，N是天线对数，H1是单根天线的有效高度。

H2与天线的联结方式有关，如是U型还是H型，或是其他形式的天线。

2.4 不同天线体系所引起的误差程度问题
为了衡量比较各种测向天线体系对非正常极化波所引起的误差程度，这里先引入标准误差的概念。

所谓标准误差是指对γ′=β=45°，这样一个特定的非正常线性极化波进行测向时，所出现的极化误差。

在用小音点取向的环状天线无线电测向机中，若：
H1=H2;
F1(α,θ,β)=sin(α-θ)，F2(α,θ,β)=cos(α-θ)sin β；
E1=E2=E02=0;
E01=E0cos γ′，E03=E0sin γ′;
Φ01=Φ03=0。

将以上条件代入式(1)，根据小音点取向，g=0，可得到极化误差：
取绝对值有
如果考虑地面反射后的合成极化角为γ′，并且假定电场的垂直分量和水平分量的相位一致，地面对其的反射亦相同，则可得：
tg Δθb=tg γ′sin β
当γ′=β=45°时，得到环状天线的标准波误差，即：
tg Δθst=0.707
或
Δθst=35.3°
由此可见，用环状天线测量标准波时，测向误差已大到不能允许的程度。

3 减小极化误差的措施
在无线电测向中，减小极化误差有多种措施，下面主要对常用的几种加以讨论。

3.1 多次测向取平均值法
间隔垂直天线的无线电测向机的极化误差的特点是变化较快，对称地出现于正确示向度的两侧，所以对多次连续取得的示向度数值来说，也可以把极化误差看作是随机性的。

根据概率的计算，大量观测中，绝对值相等、符号相反的随机误差出现的概率几乎是相同的。

因而随着测向次数的增加，其算术平均误差逐渐趋近于零。

因此降低极化误差的有效方法之一是长时间连续测量出多个示向度的数值，然后取其平均值。

如果把几次测量的算术平均值看作是方位误差，那么所得到的算术平均极化误差要比根据单个方位得到的均方根极化误差小倍，即:
因此，长时间多次测向，取平均值，可以大大地降低极化误差。

3.2 选择抗极化误差的无线电测向体制
为了较好地减小极化误差，通常采用各种抗极化误差的测向体制，主要有采用间隔双环天线体系构成的无线电测向机，采用H型天线体系构成的测角系统，采用U 型天线体系，采用变压器耦合的阿德柯克天线体系以及各种方式的综合应用等。

由于阿德柯克天线体系应用比较广泛，本文就以此种测向体制为例做以技术分析。

阿德柯克天线体系是为了使两根水平馈线容易实现其负载平衡、对称而采用变压器耦合的天线体系。

其典型电原理图如图2所示。

图2 阿德柯克天线体系
采用磁耦合的优点是可以增大天线体系下半部闭合回路的阻抗，从而可以避免由于上、下两部分回路不平衡而引起的极化误差。

在这种情况下，变压器的匝间电容愈小愈好。

因为该电容愈小，馈线愈容易保持平衡，接收的水平极化分量愈易抵消。

因而引起的极化误差也愈小。

图中变量器偏离垂直天线的中心，其目的是为了减少垂直、水平、导线间的静电耦合。

在这种耦合方法中，对极化误差影响最大的是通过变压器初、次级线圈间的杂散电容Ct，而流入天线下半部闭合回路的电流。

因此，为了减小该杂散电容Ct的有害影响，可以把初、次级线圈屏蔽起来。

如果变压器制造的的完全平衡，馈线也制作成完全平衡对称，那么采用变压器耦合的天线体系，理论上可以做到极化误差为零。

但是实际上，由于制造工艺不可能达到这种要求，因此总有一些不平衡存在，因此这种电路只能起到降低极化误差的作用。

这种型式的结构优点是可以降低极化误差，其缺点是制作困难，如：整个变压器的设计制造均应完全一致，耦合系数及其他一切参数均应对应相等，否则，将会产生阻抗不相等或电流相位不一致等误差。

在电气上要求这个耦合系数愈大愈好，以便有较高的灵敏度，而且在各波段中不应
有谐振点，所以对其电感量的选择应特别注意。

由于性能良好的高频磁芯以及传输线式变量器的出现，可以在很宽的频带范围内，以很低的损耗使天线至接收机间由不平衡传输为平衡传输，因此大大降低了极化误差，所以这种变压器耦合方式应用比较广泛。

4 结语
极化误差对无线电通信测向具有非常重要的影响。

减小极化效应对测向误差的影响，需要在实际工作中不断进行总结研究，这对提高在中长波通信测向中具有重要意义。

也对无线电测向试验提供技术参考。

参考文献
[1] 王铭三,钟子发,徐炜,等.通信对抗原理[M].北京:解放军出版社,1999.
[2] [德] 鲁道夫·格拉鲍.无线电测向技术[M].平良子,王崇厚,译.成都:西南电子电信技术研究所,1993.
[3] 任绍辉.无线电通信测向误差分析[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2003.。