溫變條件下拋物面天線時延特性研究

溫日紅,馮曉超

(中國人民解放軍61081部隊,北京100094)

0 引言

拋物面天線是衛星導航系統完成時間同步,建立導航系統時間基準和坐標基準的基礎設備,準確掌握天線時延特性是確保系統業務精度的前提條件。拋物面天線時延受到各種環境因素的影響,如環境溫度變化、基礎形變、風載荷影響、自身重力載荷影響以及結構件老化形變等;其中,環境溫度變化是影響拋物面天線時延的主要因素之一。首先分析了GNSS拋物面拋物面天線相位中心和設備時延2項重要參數,然后根據天線基本結構分光程段、饋源段和饋線段3部分對天線時延在溫度變化條件下的時延特性進行了深入的研究。

1 GNSS系統拋物面天線

在衛星導航系統(GNSS)中,地面運行控制設備通過拋物面天線完成對導航衛星星地時間同步上行信號發射和下行信號接收、偽距測量、導航電文注入和遙測遙控信息管理,完成地面主控站與各備份注入站和監測站的站間時間同步信號發射與接收、偽距測量和數據傳輸。拋物面天線設備時延標定的準確度和穩定度會影響系統的時間同步性能,從而影響整個導航系統提供的PNT(導航、定位和授時)業務精度。

1.1 參考相位中心

對于衛星導航系統而言,拋物面天線需選擇一個基準點,此基準點可視為電磁波在空間傳播和在地面設備中傳播及處理的轉換點,以進行星地距離的實時計算和電離層延遲計算等。

如果把喇叭饋源的物理相位中心作為基準點,由于電磁波傳播的空間路徑中包含了主、副反射面的反射路徑時延,利用此基準點計算的星地幾何距離與電磁波從衛星到此基準點的實際傳播距離是不相同的,因此,將喇叭饋源物理相位中心作為天線基準點并不合適。在衛星導航系統中,通常將拋物面天線口面中心選擇為電磁波空間傳播時延和地面設備時延的基準分界點,而電磁波從饋源相位中心經副、主反射面再到天線口面的電磁波傳播時延可視為地面設備時延的一部分。這樣,利用此基準點坐標計算得到的星地距離與電磁波從衛星傳播到該點的距離是一致的,通常將該基準點定義為拋物面天線的參考相位中心。參考相位中心很好的解決了拋物面天線設備時延起始基準點的問題,拋物面參考相位中心可通過天線結構進行歸算標定。拋物面天線參考相位中心示意圖如圖1所示。

圖1 拋物面天線參考相位中心示意圖

1.2 天線時延

拋物面天線設備時延定義為電磁波從天線口平面傳輸到饋源輸出口(或從饋源輸入口傳輸到天線口平面)的信號延遲量。根據拋物面天線結構和電磁波傳輸機理,可以把信號在天線中的傳輸路徑分為天線段(光程段)、饋源段和饋線段3部分,如圖2所示。

圖2 拋物面天線時延組成結構

天線段中,電磁波以開放場形式傳播,其傳播路徑符合光學原理,也稱光程段。光程段時延起始點從天線口面到喇叭相心,由饋源相心發出的球面波經主、副反射面反射后在主面口面處形成平面波;從饋源相心(天線焦點)到天線口面的每一條波束都是等長的,這一光程時延特性通過計算是可以得到其精確數值的。

饋源段包括了喇叭、饋源網絡和濾波器等重要環節。喇叭時延是從喇叭相心到喇叭輸入口;饋源網絡時延是饋源網絡輸出口即喇叭輸入口到饋源網絡輸入口(收發網絡),主要由波紋喇叭、跟蹤器和極化器等構成。電磁波在這些部件中的傳輸特性各不相同,而且部件內部和部件之間也會存在耦合和一定的反射,因此不能通過簡單的結構計算來獲得饋源的時延值,需要通過精密儀器標定測量獲得時延值。

饋線段主要由旋轉關節和電纜等組成。由于這部分的部件在天線運動過程中要發生相對位移。在衛星導航系統中,通常對饋線部分時延采用事先標定、在線標校及實時監控的方法取得。

2 溫度變化條件下天線時延特性

拋物面天線設備時延受到各種環境因素的影響,其中工作環境的溫度是影響拋物面天線時延變化的主要原因。由于天線系統每個組成部分的物理結構和電磁波傳播機理不同,受溫度變化影響的時延特性也會有所差異。

2.1 天線光程段時延特性

光程段時延變化主要是由于溫度變化引起天線結構形變,導致拋物面天線參考相位中心基準點發生位移,引起拋物面天線的時延變化。通過利用ANSIS力學分析軟件仿真分析了某工程13 m拋物面天線在俯仰角固定條件下,溫度變化引起的天線相位中心基準點位移變化量。仿真結果表明,在俯仰角固定條件下,溫度變化50℃時,從饋源到主面口面的光程變化小于10 mm,即0.033 3 ns。

2.2 饋源段時延特性

饋源段主要由喇叭和饋源網絡組成。在溫度變化條件下,每部分由于構件結構和電波傳輸特性等因素,其時延特性表現也不盡相同。

2.2.1 喇叭段時延特性

天線工作環境溫度變化引起喇叭長度發生改變,導致喇叭時延值變化。喇叭可等效為圓波導,喇叭時延隨溫度的變化量可等效為圓波導時延隨溫度的變化量,溫度變化導致喇叭長度的變化量以及相應電長度的變化量通過計算方法可以得到。在空氣填充波導中電磁波傳播的時延公式為:

式中,l為波導長度;c為光速;λ為信號波長。

喇叭長度隨溫度變化量 Δl與喇叭的材料有關。溫度變化時,喇叭長度的變化公式為:

式中,ΔT為溫差,喇叭通常由合金鋁材加工而成,合金鋁的線脹系數為a=2.3×10-5/℃。

以某工程中13 m拋物面天線為例,其喇叭長度為1 887 mm,相心距口面為800 mm,在溫度變化60℃條件下,喇叭對不同頻率信號的時延值統計入表1所示。

數據分析結果表明:在溫度變化60℃條件下,喇叭段時延變化優于0.01 ns,在實際工程應用中,喇叭段時延可忽略不計。

2.2.2 饋源網絡時延特性

由于饋源網絡結構相對較為復雜,電磁波在其中傳輸會遇到各種反射和耦合作用。而且當溫度變化時,饋源網絡的結構形變很難進行定量分析計算。因此溫度變化條件下,饋源網絡時延特性不能采用類似于喇叭時延分析方法進行。

對饋源網絡時延特性采用溫變試驗的方法進行試驗分析。將待測饋源網絡放置在溫箱內,調節溫箱溫度,利用矢量網絡分析儀實時測量不同頻率饋源網絡隨溫度變化的時延值。在試驗溫度變化范圍為-45℃～+75℃、步進值為5℃的測試條件下,以某工程13 m拋物面天線饋源網絡為例,其時延特性變化如圖3所示。

試驗結果表明:在-45～+75℃的溫度變化范圍內,濾波器是造成饋源網絡時延變化幅度較大的主要因素。在工程應用中,濾波器工作環境溫度的相對恒定是確保饋源網絡時延穩定的前提。

圖3 13 m天線饋源網絡隨溫度變化時延特性

2.3 饋線段時延特性

拋物面天線饋線段主要由波導、射頻電纜或旋轉關節組成,饋線段時延受溫度變化影響相對較小。經過對應用于某工程型號中的L頻段13 m拋物面天線饋線段在溫度變化條件下的時延特性測量結果表明:在溫度變化-45～+75℃范圍內,饋線段時延變化幅度不超過0.005 ns,在實際工程應用中,饋線段時延變化可忽略不計(注:試驗饋線為長度約20 m的ANDREW同軸射頻電纜。)。

3 結束語

根據拋物面天線時延特性,在GNSS系統拋物面天線設計時,需優化天線結構,保持濾波器工作環境溫度的相對恒定,以保證濾波器時延的穩定性。同時,采用標校環路對濾波器的時延變化進行實時在線標定和監測,盡可能降低濾波器時延變化的影響。

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