YH-1火星探測(cè)器射頻波導(dǎo)測(cè)試技術(shù)

李金岳，曹志宇，李春暉，陳昌亞

（1.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240；2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

YH-1探測(cè)器是我國(guó)首顆火星探測(cè)器，為適應(yīng)深空遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)通信的要求，探測(cè)器采用高增益射頻天線(xiàn)和大功率射頻輸出方案，射頻無(wú)線(xiàn)測(cè)試必須在微波暗室中進(jìn)行，在衛(wèi)星廠(chǎng)房只能進(jìn)行射頻有線(xiàn)測(cè)試，防止電磁輻射對(duì)人體傷害。航天器射頻測(cè)試包括有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種［1］。有線(xiàn)射頻測(cè)試中，航天器的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)連接高頻電纜到地面測(cè)試設(shè)備的射頻測(cè)試，該方法的缺點(diǎn)有測(cè)試不完整（不包括天線(xiàn)部分）、高頻接插件需多次插拔降低可靠性等。無(wú)線(xiàn)射頻測(cè)試中，航天器的天線(xiàn)與地面天線(xiàn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接測(cè)試。對(duì)深空航天器來(lái)說(shuō)，因無(wú)線(xiàn)電磁波輻射的能量巨大，測(cè)試與操作人員不可在附近工作，需在專(zhuān)門(mén)的電磁波屏蔽廠(chǎng)房（EMC廠(chǎng)房）進(jìn)行測(cè)試，航天器需轉(zhuǎn)場(chǎng)重新布線(xiàn)，工作量大。采用天線(xiàn)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換技術(shù)，將深空航天器天線(xiàn)主要通過(guò)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換裝置連接地面測(cè)試設(shè)備進(jìn)行射頻測(cè)試，可簡(jiǎn)化深空航天器射頻測(cè)試方法，減少無(wú)線(xiàn)信號(hào)輻射對(duì)人體傷害，滿(mǎn)足深空航天器射頻測(cè)試要求，提高航天器射頻測(cè)試的完整性和安全性。為此，本文對(duì)YH-1火星探測(cè)器的一種射頻波導(dǎo)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 天線(xiàn)波導(dǎo)裝置設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)射天線(xiàn)波導(dǎo)

YH-1火星探測(cè)器的發(fā)射天線(xiàn)采用圓波導(dǎo)喇叭方案，天線(xiàn)輸入端口功率10W。為實(shí)現(xiàn)對(duì)天線(xiàn)的波同轉(zhuǎn)換，考慮設(shè)計(jì)一段與喇叭尺寸匹配的波導(dǎo)與發(fā)射天線(xiàn)完全吻合，只保留中間圓波導(dǎo)部分。該裝置將天線(xiàn)在空間輻射的電磁波轉(zhuǎn)為在波導(dǎo)傳輸線(xiàn)中射頻信號(hào)，在波導(dǎo)末端接同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)將無(wú)線(xiàn)射頻信號(hào)轉(zhuǎn)為有線(xiàn)射頻信號(hào)的功能。

為加工一個(gè)與發(fā)射天線(xiàn)喇叭吻合的圓波導(dǎo)，即圓波導(dǎo)內(nèi)部尺寸與發(fā)射天線(xiàn)圓波導(dǎo)的相同，天線(xiàn)喇叭口面與波導(dǎo)裝置的圓波導(dǎo)口面吻合，外部形狀與發(fā)射天線(xiàn)喇叭部分相同。在天線(xiàn)喇叭口部位加兩個(gè)介質(zhì)緊固件，將波導(dǎo)裝置安裝在發(fā)射天線(xiàn)上，并用螺釘固定發(fā)射天線(xiàn)測(cè)試波導(dǎo)裝置。測(cè)試時(shí)只需將地面電纜連接到測(cè)試波導(dǎo)裝置后端的高頻插座，如圖1所示。

圖1 發(fā)射天線(xiàn)與波導(dǎo)裝置連接Fig.1 Tansmit antenna and waveguide device connection

1.2 接收天線(xiàn)波導(dǎo)設(shè)計(jì)

YH-1火星探測(cè)器的接收天線(xiàn)設(shè)計(jì)不同于發(fā)射天線(xiàn)，接收天線(xiàn)射頻波導(dǎo)裝置設(shè)計(jì)無(wú)法按發(fā)射天線(xiàn)波導(dǎo)裝置的方法。因接收天線(xiàn)的接收機(jī)靈敏度很高，需通過(guò)地面天線(xiàn)發(fā)射弱電磁信號(hào)，供接收天線(xiàn)射頻測(cè)試。為防止波導(dǎo)裝置對(duì)接收天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的影響以及射頻信號(hào)泄漏交叉耦合的影響，加工一小型屏蔽腔，在屏蔽腔四壁粘吸波材料，將接收天線(xiàn)包在其中進(jìn)行射頻測(cè)試。

屏蔽腔主體部分為桶狀的金屬腔，直徑300mm，在腔體內(nèi)粘接吸波材料。吸波材料選用一種超薄型膠片類(lèi)吸波材料。單層壁厚約2.3mm，在頻率7～9GHz范圍內(nèi)反射損耗小于25dB。在腔體底部一側(cè)連接地面測(cè)試電纜，如圖2所示。

2 天線(xiàn)波導(dǎo)測(cè)試技術(shù)

2.1 測(cè)試方法

圖2 接收天線(xiàn)與波導(dǎo)裝置連接Fig.2 Recevie antenna and waveguide device connection

根據(jù)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，研制屏蔽腔和波導(dǎo)轉(zhuǎn)換裝置組成天線(xiàn)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，屏蔽腔與天線(xiàn)緊密連接，防止電磁波在縫隙中泄漏，屏蔽腔內(nèi)壁有吸波材料，降低反饋損耗。天線(xiàn)加天線(xiàn)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器后，端口駐波比應(yīng)不大于1.5。天線(xiàn)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換裝置如圖3所示。

圖3 波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器Fig.3 Waveguide converter

2.2 測(cè)試步驟

接收天線(xiàn)波導(dǎo)射頻測(cè)試步驟如下。

步驟1：用紙膠帶保護(hù)天線(xiàn)外表面需與波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器和屏蔽腔連接的部位。

步驟2：在接收天線(xiàn)上安裝固定夾，固定夾用鎖緊螺釘固定，安裝時(shí)需注意兩固定夾螺紋匹配良好。

步驟3：用螺紋將接收天線(xiàn)屏蔽腔直接與接收天線(xiàn)固定夾連接固定。

步驟4：屏蔽腔連接穩(wěn)定后，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試接收天線(xiàn)端口駐波比和接收天線(xiàn)與屏蔽腔連接后的傳輸損耗，測(cè)試連接如圖4所示。

步驟5：駐波比與傳輸損耗測(cè)試完成后，拆除測(cè)試電纜。用衛(wèi)星用高頻電纜連接固定指令接收機(jī)與接收天線(xiàn)，屏蔽腔與地面測(cè)試電纜連接，后面連接地面測(cè)試設(shè)備。

步驟6：地面發(fā)射機(jī)開(kāi)機(jī)工作，采用在發(fā)射機(jī)與屏蔽腔間加電纜及衰減器的方式，實(shí)現(xiàn)屏蔽腔輸入口信號(hào)強(qiáng)度約－110dBmW的要求。接收機(jī)開(kāi)機(jī)工作測(cè)試，接收地面上行指令數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)試屏蔽腔外圍空間的電磁泄漏強(qiáng)度。

圖4 天線(xiàn)波導(dǎo)性能測(cè)試Fig.4 Test system for antenna waveguide performance

圖5 天線(xiàn)和天線(xiàn)波導(dǎo)裝置Fig.5 Antenna and antenna waveguide device

發(fā)射天線(xiàn)射頻波導(dǎo)測(cè)試步驟與接收天線(xiàn)類(lèi)似。

2.3 測(cè)試結(jié)果

在進(jìn)行YH-1火星探測(cè)器射頻測(cè)試前，分別在探測(cè)器低增益發(fā)射天線(xiàn)、低增益接收天線(xiàn)的波導(dǎo)轉(zhuǎn)換裝置對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1～3。

表1 低增益發(fā)射波導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Low gain transmit waveguide test data

表2 低增益接收波導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Low gain receive waveguide test data

表3 天線(xiàn)安裝波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器后測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data after antenna install waveguide converter

波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器正樣件裝星測(cè)試結(jié)果表明：正樣波導(dǎo)器轉(zhuǎn)換性能符合設(shè)計(jì)要求，信號(hào)傳輸功能正常，并滿(mǎn)足了探測(cè)器全系統(tǒng)、全功率射頻測(cè)試。

3 電場(chǎng)輻射強(qiáng)度分析

為檢測(cè)天線(xiàn)波導(dǎo)傳換后的電磁輻射，用頻譜儀分別對(duì)YH-1火星探測(cè)器的接收和發(fā)射頻段進(jìn)行了電場(chǎng)檢測(cè)。

3.1 檢測(cè)方法

測(cè)試工具為Agilent E4440A頻譜儀、3m的射頻電纜、增益約3dB的X波段接收天線(xiàn)。頻譜儀通過(guò)轉(zhuǎn)換頭接3m的射頻電纜在連接地面的接收天線(xiàn)。指標(biāo)說(shuō)明如下。

a）頻譜儀顯示功率強(qiáng)度與輸入信號(hào)的功率強(qiáng)度關(guān)系：3m長(zhǎng)的電纜加轉(zhuǎn)接頭的衰減約－3dB，地面接收天線(xiàn)增益約3dB，故輸入信號(hào)的強(qiáng)度等于頻譜儀顯示功率的強(qiáng)度。

b）測(cè)試設(shè)備的測(cè)量精度：Agilent E4440A頻譜儀的測(cè)試精度±0.24dB，3m長(zhǎng)的電纜加地面接收天線(xiàn)精度±1dB，故整個(gè)測(cè)試設(shè)備測(cè)試精度±1.3dB。

3.2 檢測(cè)步驟

測(cè)試設(shè)備連接如圖6所示。

電磁屏蔽測(cè)試設(shè)備置于YH-1火星探測(cè)器側(cè)旁，地面接收天線(xiàn)分別放置于探測(cè)器的發(fā)射天線(xiàn)下方和接收機(jī)下方1m處。

屏蔽測(cè)試設(shè)備先開(kāi)機(jī)，設(shè)置頻譜儀掃描Span為1MHz，VBW為100Hz，頻點(diǎn)分別設(shè)置為接收機(jī)頻點(diǎn)和發(fā)射機(jī)頻點(diǎn)，頻譜儀一直進(jìn)行掃頻接收。YH-1火星探測(cè)器按電測(cè)細(xì)則進(jìn)行測(cè)試，在接收機(jī)和發(fā)射機(jī)工作過(guò)程中記錄頻譜圖像。

圖6 測(cè)試設(shè)備連接Fig.6 Connection for testing device

3.3 檢測(cè)結(jié)果

3.3.1 接收機(jī)天線(xiàn)波導(dǎo)

星上指令接收機(jī)開(kāi)，地面發(fā)射機(jī)發(fā)射數(shù)據(jù)經(jīng)地面電纜給波同轉(zhuǎn)換器到Y(jié)H-1火星探測(cè)器的接收天線(xiàn)。頻譜儀未測(cè)到Y(jié)H-1地面發(fā)射機(jī)的電磁輻射強(qiáng)度，因此接收天線(xiàn)處的電磁泄露非常小，已淹沒(méi)在背景噪聲中。以下將不分析接收天線(xiàn)波導(dǎo)的電磁屏蔽性能。

3.3.2 發(fā)射機(jī)天線(xiàn)波導(dǎo)

按測(cè)試細(xì)則，YH-1火星探測(cè)器發(fā)射機(jī)開(kāi)機(jī)數(shù)十秒，發(fā)射單頻點(diǎn)、雙頻點(diǎn)、三頻點(diǎn)和數(shù)傳模式，經(jīng)低增益發(fā)射天線(xiàn)、波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器給地面射頻電纜到地面接收機(jī)。頻譜儀接收到Y(jié)H-1火星探測(cè)器X發(fā)射機(jī)發(fā)射的單頻點(diǎn)在空間的輻射功率強(qiáng)度為最大約－40dBmW。雙頻點(diǎn)、三頻點(diǎn)和數(shù)傳信號(hào)均小于單頻點(diǎn)信號(hào)，本文不再論述。

3.4 強(qiáng)度分析

分析YN-1火星探測(cè)器的X發(fā)射機(jī)屏蔽測(cè)試數(shù)據(jù)，頻譜儀測(cè)試到功率值轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)強(qiáng)度值。電場(chǎng)強(qiáng)度與功率間的轉(zhuǎn)換公式為

式中：Zohm為空氣波阻抗（377Ω）；P為功率；E為電場(chǎng)強(qiáng)度。則

可近似得出電場(chǎng)強(qiáng)度值，－40dBmW約為－44dBV／m，即約0.006 3V／m。因此，X發(fā)射機(jī)在空間1m處的電場(chǎng)輻射強(qiáng)度0.006 3V／m。

測(cè)試數(shù)據(jù)－40dBmW＝0.006 3V／m遠(yuǎn)小于國(guó)標(biāo)要求的13.73V／m＝50μW／cm2，X發(fā)射機(jī)在1m處的屏蔽測(cè)試數(shù)據(jù)符合國(guó)標(biāo)的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)YH-1火星探測(cè)器的一種射頻波導(dǎo)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了研究。波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器將天線(xiàn)發(fā)送的電磁波轉(zhuǎn)換為波導(dǎo)腔內(nèi)傳輸，無(wú)線(xiàn)輻射轉(zhuǎn)換為有線(xiàn)形式傳輸，避免了微波輻射泄漏，符合GB 12638—90《微波和超短波通信設(shè)備輻射安全要求》對(duì)人體防護(hù)的規(guī)定值上限。因此，可在無(wú)微波屏蔽暗室條件下進(jìn)行整器全系統(tǒng)、全功率射頻測(cè)試。用天線(xiàn)波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行射頻無(wú)線(xiàn)測(cè)試，滿(mǎn)足深空航天器射頻測(cè)試要求，提高航天器射頻測(cè)試的完整性和安全性，為我國(guó)航天器無(wú)線(xiàn)射頻測(cè)試和有線(xiàn)射頻測(cè)試提供了一種新方法。

［1］ 裴斗生，鄺振勛.衛(wèi)星通信分系統(tǒng)的測(cè)試與標(biāo)準(zhǔn)化［J］.航天標(biāo)準(zhǔn)化，2003（3）：28-30.