拋物面天線接收時延抖動分析和對策

黃旭峰

（北京衛星導航中心，北京100094）

0 引言

拋物面天線是衛星導航地面站的重要組成部分，負責完成衛星與地面站時間同步上行信號發射和下行信號接收，是偽距測量重要設備，因此要求拋物面天線工作時自身的時延相對穩定[1－4]。通過拋物面天線在執行跟蹤衛星信號時的全鏈路設備時延分析，對拋物面天線接收時延可能產生抖動的相關設備進行了診斷排查，最終找出了容易引起時延抖動的器件，并提出了改進措施。

1 天線接收時延抖動診斷

衛星導航地面站拋物面天線主要任務之一是接收和監測衛星下行信號，在拋物面天線運動跟蹤觀測衛星信號中，其設備時延應是穩定常量。某次試驗中，利用拋物面天線跟蹤衛星信號時，發現接收信號時延有近0.6ns的抖動，無規律性，具體表現為有跳臺階和時延突跳，如圖1所示。該問題會影響到地面設備后端接收設備對衛星偽距的精確測量，因此有必要分析衛星下行信號時延抖動的原因。

圖1 天線運動時接收時延抖動現象

整個拋物面天線接收鏈路包括多個設備，根據其結構組成，針對可能導致接收信號時延抖動問題的原因列出了故障診斷樹，如圖2所示。根據可能產生故障的各個環節，采用逐級分離的方法進行了排查。首先對拋物面天線外的其他設備進行了數據核查，經檢查當日同一位置多臺監測接收機所接收衛星信號，未見偽距觀測值有相同抖動，觀測結果均穩定，因此X11故障可排除，不是由于衛星或傳輸路徑上造成的時延抖動。因此故障可能由包含拋物面天線在內的地面設備引起。

圖2 天線接收時延抖動診斷樹

為確認是否是拋物面天線后端的測距設備引起的接收時延抖動，對包含測距設備的整套拋物面天線進行了接收GEO定點衛星信號測試，其原理框圖如圖3所示。測試過程中天線保持靜止狀態，跟蹤GEO定點衛星的時延穩定度測試結果如圖4所示。可見天線系統接收時延值未見異常變化，因此X21測距設備引起的時延抖動可排除，而天線系統只有在運動狀態下設備時延存在不穩定現象。

圖3 接收鏈路時延穩定度測試原理圖

圖4 天線靜止時接收時延測試結果

拋物面天線接收支路有眾多設備組成，空間經主反射面到副反射面，在從副反射面發射依次進入天線喇叭、饋源網絡、耦合器、濾波器、低噪聲放大器和饋線，為了準確診斷出是饋源網絡設備造成的時延抖動，還是后端饋線段造成的時延抖動，可以將測試點放置在天線上，將矢量網絡分析儀放置在天線方位平臺上，一端連接饋源網絡的耦合器將測試信號輸入饋源網絡，另一端連接場放后端，這樣就構成了可以測量時延穩定度的回路，如圖5所示[5，6]。經過連續12h測試后時延測試結果如圖6所示。

圖5 饋源網絡時延穩定度測試框圖

圖6 饋源網絡時延穩定度測試結果

由圖6可見饋源網路到場放之間的整個鏈路工作正常，不存在時延抖動的問題。因此可以排除X31饋源網絡和場放引起的時延抖動。使用矢量網絡分析儀對場放后端含有旋轉關節的饋線段進行了測試，其結果如圖7所示。可見接收時延變化約為0.5ns，由此可以斷定系統時延抖動是由X32即包含有旋轉關節的饋線部分造成的。

圖7 饋線段時延穩定度測試結果

2 時延抖動原因分析

拋物面天線接收鏈路饋線段指的是從天線中心體內的場放輸出端到發射機房信道機柜輸入端，整個饋線段包含有方位關節、俯仰關節和各段連接線纜。為了保障天線轉動跟蹤目標時，信號能夠不中斷連續傳輸，因此引入了旋轉關節和線纜卷繞裝置。

旋轉關節主要包括有內導體刨開式圓環同軸關節、同軸線非接觸式關節、電容耦合式同軸關節和繞柱式同軸關節，雖然它們的設計方案各有不同，但均通過設置微波扼流耦合槽實現連續傳輸[7，8]。旋轉關節結構如圖8所示，為了使關節能夠轉動，就必須把旋轉關節定環與動環（內導體）在物理結構上切斷，但同時需要保持電氣接觸良好，因此在切縫處設置扼流槽這一結構來實現電信號連續傳輸功能。

圖8 旋轉關節結構示意圖

在同軸傳輸線中引入的耦合間隙對主傳輸線的影響可以用傳輸線理論進行分析。由于主傳輸線的電流被間隙隔斷，將在間隙上受高頻能量激勵，當間隙比波長小很多時，在間隙輸入端相當于串聯一個阻抗。從主傳輸線隔斷點向耦合間隙看去的輸入阻抗等于主同軸線的特性阻抗加上耦合間隙的串聯阻抗。如果串聯阻抗等于零，則從主傳輸線隔斷點向耦合間隙看去的輸入阻抗就等于主同軸線的特性阻抗，此時相當于一個普通的同軸傳輸線。因此要使扼流槽引入的反射最小，耦合間隙應盡量小，以使串聯阻抗盡量小。但同時也必須考慮功率容量的問題，耦合間隙的尺寸必須在反射最小和最大功率容量間進行折衷選取。這樣就能保證在關節在旋轉時，而電信號穩定連續傳播。

不同旋轉關節在動環與定環間耦合設計不同，但均是依靠扼流槽信號耦合方式完成旋轉關節動環與定環間的信號連續傳輸。耦合式旋轉關節采用內外兩層同軸線嵌套的形式，在內外導體的圓周方向均勻分布若干個耦合點，對同軸線進行激勵，耦合信號用功率合成器合成一路。從設計原理上內外兩層同軸線嵌套結構在旋轉時其耦合信號應該是穩定連續的，但關節的機械加工精度，內部印制電路板加工及裝配的精度，內外導體裝配同心度，均會影響其時延的穩定性[9，10]。典型的耦合式旋轉關節在轉動時的時延特性如圖9所示。

圖9 傳統耦合式旋轉關節時延特性圖

耦合式旋轉關節在轉動時其時延特性很不穩定，饋線上任何微小的震動也會引起天線時延的跳動，而在天線轉動時微小的震動是不可避免的，因此既要保證旋轉關節轉動時的時延穩定特性，又要控制饋線因受力不均勻造成的抖動。

3 天線時延抖動解決策略

針對以上問題，對拋物面天線整個接收信號流程進行了梳理，并采取了相應的糾正措施:

①在原來耦合式旋轉關節動環與定環間屏蔽了原有耦合探針式信號傳輸路徑，而是采用機械柔軟穩相電纜直接連接非接觸式耦合關節動環與定環。選用寬溫機械柔軟穩相電纜，由電纜組件制作專業廠家制成具有金屬防護外套和N型連接器的電纜組件，每個電纜組件代替一路關節。電纜組件兩端的N型連接器與非接觸式耦合關節動環電纜連接器連接并用熱塑管封裝，電纜組件與伺服控制電纜捆綁在一起與其聯動，構成射頻信號傳輸通道。旋轉關節替代改進后的情況如圖10所示。

圖10 改進后的線纜式旋轉關節示意圖

②改進了耦合式關節動環與定環間連接線纜隨卷繞裝置轉動方式，從而達到當天線轉動時穩相電纜依附著卷繞鋼纜轉動，避免了轉動力直接作用到穩相電纜，從而導致的時延抖動。

③對天線中所有信號傳輸電纜采用穩定可靠的固定綁扎，從而避免天線轉動時，因線纜無規律晃動引起的不規則受力從而導致的時延抖動。

④天線中設備連線盡量使用長線纜，減少轉接頭的使用。轉接頭需要有鎖定裝置，防止因天線轉動導致接頭松動時引起的時延抖動。

4 測試試驗

采用矢量網絡分析儀對經過卷繞裝置更新和旋轉關節改造后的天線時延自環變化量進行了測試。旋轉關節時延特性測試需要使用輔助電纜等建立測試環境，如圖11所示。為構成測試回路，需要將一路接收通道用于上行發射標校信號，另外需引入測試輔助電纜連接接收俯仰關節與接收方位關節。其測試信號流程為:矢網發端口→標校方位關節→標校俯仰關節→接收俯仰關節→接收方位關節→矢網收端口。這種測試回路中所有測試線纜均保持固定，可以避免測試中電纜晃動造成的時延抖動，提高測試精度。

圖11 天線接收鏈路時延特性測試圖

測試頻點選擇通用導航L頻段，使用矢量網絡分析儀作為測試工具。天線方位和俯仰同時保持勻速轉動，矢網每秒記錄一次回路時延變化值，連續記錄直到天線方位旋轉360°，俯仰轉動90°為止，測試結果如圖12所示。可見天線接收鏈路時延特性非常平坦，時延變化范圍在0.05ns以內，相對于改造前的天線有了比較明顯的改善，非常適合于對時延穩定性有較高要求的導航系統。

圖12 接收頻點信號穩定度測試

5 結束語

采用分段排查和比對排查的方法，檢查出拋物面天線饋線段的旋轉關節是導致拋物面天線接收時延抖動的主要原因，饋線段線纜的固定安裝以及隨卷繞裝置是否受力也會影響拋物面天線運動狀態下的時延特性，因此應用于導航系統的拋物面天線需要特別注意天線旋轉關節以及饋線隨卷繞裝置轉動時的時延特性。

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