在无线电测向领域，使用全向天线进行测向时，至少需要两个天线组成阵列。工程应用中一般需要更多天线元。近期朋友发给我一篇共同学习探讨的文章，IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters 发表的一项研究《Direction Finding Using a Single Antenna With Blade Modulation》，提出了一种利用"叶片调制"的单天线测向技术，为无线电测向提出了一种全新思路。

虽很难说这种测向方式能真正的实用起来，但学习&了解一下这个思路还是挺不错的。

【核心原理：叶片调制】

该技术的核心在于通过天线周围可旋转的金属叶片增强辐射方向图的多样性并实现到达方向估计，人为制造"方向图分集"，测量不同来波方向和仰角时，叶片旋转角度下天线之间复数辐射方向图的幅值和相位的相关系数实现测向。

具体为：使用一台固定式单天线来接收入射信号，为增强辐射方向图的多样性并实现到达方向估计，天线四周四个角上各布置了一片可旋转的叶片。该天线设计工作于入射波与金属叶片发生谐振的频率点。

图1、4个旋转叶片的顶帽天线

（引用《Direction Finding Using a Single Antenna

With Blade Modulation》）

【四叶顶帽天线设计】

以625 MHz作为工作频率进行设计实例，625 MHz频率对应波长为48厘米，则金属叶片的长度为半波长度24厘米，图1为四叶片顶帽天线的尺寸参数。利用全波数值仿真软件FEKO v2017进行设计，叶片以顺时针方向从0°旋转至165°，步长为15°，图2给出了无叶片及不同叶片旋转角度下天线的反射系数曲线。

图2、叶片不同角度时天线的反射系数曲线

天线在无叶片及具有12种不同叶片旋转角度（从0°到165°）时的天线方向图俯视图。假设首个带叶片的天线处于初始位置，即在四个叶片各自的坐标系中，叶片角度均为0°，并同时按顺时针方向旋转。图3分别给出了在500 MHz和625 MHz下所实现增益模式的（来波仰角）分量和φ（来波方位角）分量的对应结果。在500 MHz时，分量与φ分量之间的最大增益值差异介于13.0至15.2 dBi之间；在625 MHz时，该差异则介于3.9至10.2 dBi之间。

图3、无叶片及叶片不同旋转角度下的多个频率的方向图

通过对不同仰角和方位角时的天线接收幅度、相位进行相关运算，可以得到不同的相关系数，如图4所示。对应两个不同叶片旋转角度（从0°到180°）时的幅度与相位相关系数。共有78对角度组合，涵盖的范围从0°至15°，直至165°至180°。相关系数r的定义如下：

其中，和 分别表示天线复辐射方向图在625 MHz下，两种不同叶片旋转角度时或时的振幅或相位。和分别为和 的平均值。相关系数r的取值范围为-1至1，其中-1表示两个复杂辐射方向图的振幅或相位呈完全负相关，1表示两者呈完全正相关，而0则表示二者完全不相关。625M频率时的相关曲线如图4所示。

   图4、625M两个不同旋转角度的幅相相关曲线

从图4中可以看出，625 MHz时的相关系数值更趋近于0，这从定量上印证了图4所示625 MHz实测增益模式的多样性。这表明，在625 MHz下可实现更高的测距精度。

【四叶顶帽天线测向性能】

假设有一束入射波，其仰角为90°，极化角也为90°，照射到用于方位角估计的单接收天线上。作为示例，我们分别考虑了四种情形：辐射方向图各不相同，对应的叶片旋转角度分别选择4、5、7和13个，这相当于传统天线阵列中分别具有4、5、7和13个天线单元的情况。设快照数K=100，即叶片从0°到360°完成50次完整旋转。当快照数K增加时，可获得更高的测向精度。下图为叶片旋转角度分别选择4、5、7和13个时的测向误差曲线图。

图5、叶片选择4、5、7和13时的测向误差曲线图

研究表明，该方法在设计频率 625 MHz 下表现优异，测向精度的克拉美-罗下界（CRB）低至 0.05°。即使在非谐振频率（如 500 MHz），该系统仍具备良好的测向能力，证明了其在恶劣环境下的鲁棒性。

【小结】

利用叶片调制的单天线测向设备设计：

1）天线设计工作于入射波与金属叶片发生谐振的频率点；

2）N种不同的叶片角度相当于传统天线阵列中具有N个天线单元，不同的叶片角度天线的方向图亦不同；

3）通过对待测频率遍历方位角、仰角以及N个叶片角度收取样本（幅度和相位），在测向时通过遍历角度的相关运算得到待测信号的方位角和仰角。

【总结】

这项研究用最简单的单天线，配合机械叶片的"魔法"，成功复现了复杂阵列的功能。

但个人觉得这种方式几乎不可能在常规的应用环境下实用化，核心的问题在于：机械设计与制造的难度，机械运动带来的寿命问题、性能问题（比如测向的时效），可以类比的一个案例：机械雷达到相控阵雷达。

科技的魅力往往在于"换一个角度看世界"，这个研究还是具有很高的创新意义，或许在某个特定的场景，这种测向方式又会展现出他特殊的魅力。

参考资料：

1. Kai Ren, "Direction Finding Using a Single Antenna With Blade Modulation," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 21, No. 5, May 2022.

2. King Fahd University Of Petroleum And Minerals, "Single-Antenna Direction Finding System for Multi-Rotor Platforms", US Patent US08907846B2.

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