拋物面天線時(shí)延變化特性研究

黃旭峰，馬 煦

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

拋物面天線是衛(wèi)星導(dǎo)航地面站的重要組成部分，負(fù)責(zé)完成衛(wèi)星與地面站時(shí)間同步上行信號(hào)發(fā)射和下行信號(hào)接收，是偽距測(cè)量重要設(shè)備，因此要求天線自身的時(shí)延相對(duì)穩(wěn)定。

天線系統(tǒng)時(shí)延標(biāo)定后，其時(shí)延變化的主要因素有兩個(gè)：一是環(huán)境溫度的變化帶來(lái)的天線時(shí)延變化；二是轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶來(lái)的天線時(shí)延變化。

1 天線時(shí)延組成

天線系統(tǒng)如圖1所示按照信號(hào)傳輸?shù)穆窂娇梢苑譃榉瓷涿婀獬潭巍佋炊危ɡ?網(wǎng)絡(luò)）、饋線段。每個(gè)組成部分的物理結(jié)構(gòu)和電磁波傳播機(jī)理不同，其時(shí)延變化特性也會(huì)有所不同，需要對(duì)各個(gè)部分分別進(jìn)行分析研究。其中饋線段除同軸電纜以外的部分通常放入恒溫機(jī)房，而同軸電纜的時(shí)延對(duì)溫度的變化規(guī)律比較明確。因此，饋線段主要研究轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)天線時(shí)延變化；反射面光程段和饋源段在天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相對(duì)信號(hào)傳輸方向相對(duì)靜止，因此需要研究其隨溫度變化的特性；三個(gè)部分時(shí)延變化量的均方根值就是天線系統(tǒng)時(shí)延變化量。

圖1 天線時(shí)延組成圖

2 光程段時(shí)延變化

由溫度變化引起的光程段時(shí)延變化可以通過(guò)理論計(jì)算得到。光程段時(shí)延變化主要是由于天線相位中心參考點(diǎn)的變化引起，天線相位中心參考點(diǎn)選在天線口面中心，該參考點(diǎn)主要受環(huán)境溫度和天線俯仰角的變化而變化。為此，我們專門利用ANSIS力學(xué)分析軟件考察了拋物面天線在俯仰角一定情況下溫度變化引起的相位中心參考點(diǎn)的位移變化量（圖2中的DMX表示相位中心參考點(diǎn)的位移變化量）。

圖2 溫差為50度時(shí)的天線相位中心參考點(diǎn)的位移

由圖2可見，在俯仰角一定情況下最大溫差達(dá)到50度時(shí)，從饋源到主面口面的光程變化小于10mm，即0.0333ns，該時(shí)延變化量不影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)距精度，因此光程段時(shí)延隨溫度的變化可以忽略不計(jì)。

3 饋源段時(shí)延變化

饋源段主要包含了喇叭、饋源網(wǎng)絡(luò)和濾波器等幾部分，其中喇叭段因溫度變化而產(chǎn)生的時(shí)延變化可以通過(guò)計(jì)算方法得到；饋源網(wǎng)絡(luò)和濾波器時(shí)延隨溫度的變化較為復(fù)雜。為此，分別對(duì)含濾波器的饋源網(wǎng)絡(luò)、不含濾波器的饋源網(wǎng)絡(luò)及濾波器進(jìn)行溫變實(shí)驗(yàn)，分析了溫變條件下不含喇叭段的饋源段時(shí)延變化特點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果合理設(shè)計(jì)了工程實(shí)現(xiàn)方案。下面將分別介紹饋源段各個(gè)組成部分在溫變條件下的時(shí)延變化特點(diǎn)和測(cè)量方法。

3.1 喇叭段時(shí)延變化

在喇叭段，引起時(shí)延發(fā)生變化的原因是外部熱環(huán)境變化導(dǎo)致喇叭長(zhǎng)度發(fā)生變化。熱環(huán)境導(dǎo)致喇叭長(zhǎng)度的變化量以及相應(yīng)電長(zhǎng)度的變化量通過(guò)計(jì)算方法可以得到。

喇叭可等效為圓波導(dǎo)，因此喇叭短時(shí)延隨溫度的變化量可以等效為圓波導(dǎo)時(shí)延隨溫度的變化量。在空氣填充波導(dǎo)中電磁波傳播的時(shí)延公式為：

式中，l為波導(dǎo)長(zhǎng)度。

由上式可看出，只要求出波導(dǎo)長(zhǎng)度隨溫度的變化量Δl，就可求出時(shí)延變化量Δτ。

以13m拋物面天線為例，下面分別求出L和C 雙頻段上的喇叭隨溫度變化后長(zhǎng)度的變化量Δlh和Δln。喇叭是由合金鋁材加工而成，合金鋁的線脹系數(shù)為a=23×10-6/°，溫度變化時(shí)，喇叭長(zhǎng)度的變化公式為

式中，T1表示變化前的溫度；T2表示變化后的溫度；ΔT表示溫差。

喇叭長(zhǎng)度為1887mm，相心距口面為800mm，則喇叭喉部距相心的距離為1887-800=1087mm。于是，喇叭隨環(huán)境溫度變化60o后，長(zhǎng)度將變化Δlh：

因此，喇叭的時(shí)延變化量為：

對(duì)于圓波導(dǎo)λc=3.14R=3.14×80=272.8mm，不同頻率點(diǎn)上的Δτh如表1所示。從表1中可以看出，相比于光程段時(shí)延，喇叭段時(shí)延受溫度變化的影響更小，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)距不會(huì)造成影響，因此可以忽略溫度變化對(duì)喇叭段時(shí)延的影響。

表1 喇叭不同頻率條件下的Δτh值

3.2 饋源網(wǎng)絡(luò)段時(shí)延變化

如前所述，光程段和喇叭段的時(shí)延受溫度的影響可以忽略不計(jì)，所以天線設(shè)備時(shí)延隨溫度的變化量就主要取決于饋源網(wǎng)絡(luò)。為了分析在溫變條件下，濾波器對(duì)饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變化的影響，將饋源網(wǎng)絡(luò)分為含濾波器模式和不含濾波器模式，并單獨(dú)測(cè)試了L頻段濾波器在溫變條件下的時(shí)延穩(wěn)定性。關(guān)于饋源網(wǎng)絡(luò)在溫變條件下的時(shí)延變化特性測(cè)量的具體操作如下：首先，對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行初始定標(biāo)；然后，按照?qǐng)D3所示連接待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)，將待測(cè)部件放置在溫箱內(nèi)，調(diào)節(jié)溫箱溫度，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測(cè)量天線饋源網(wǎng)絡(luò)在不同溫度和不同頻率下的時(shí)延值，并記錄測(cè)量結(jié)果。測(cè)試條件為：溫度變化范圍為10°～+40°，步進(jìn)值為5o。饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變化量即為：環(huán)境溫度從10°變化到+45°，饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的最大值與最小值之差。

圖3 饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變化量測(cè)試框圖

下面分別以13m天線為例，給出溫變條件下含濾波器的饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變化的實(shí)驗(yàn)及結(jié)果。

表2 13m天線饋源網(wǎng)絡(luò)L頻段時(shí)延隨溫度變化結(jié)果（ns）

由表2和圖5、圖6表明，13m天線在L頻段上的變化較大，最大與最小之差超過(guò)了0.2ns。相反地，不含濾波器的饋源網(wǎng)絡(luò)在L波段的時(shí)延隨溫度變化卻非常小。

圖4 13m天線L發(fā)射頻段1340MHz饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延隨溫度變化趨勢(shì)圖

圖5 13m線L接收頻段1268MHz饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延隨溫度變化趨勢(shì)圖

通過(guò)比較含濾波器與不含濾波器的饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延溫變實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，濾波器造成了饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延隨溫度而發(fā)生較大變化。L頻段由于頻率間隔近，抑制度高，阻發(fā)濾波器采用帶通形式，其駐波和隔離的響應(yīng)曲線都很陡，大的溫度變化會(huì)導(dǎo)致時(shí)延變化較大。因此，濾波器是造成L頻段饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延隨溫度變化大的主要原因。為此，為進(jìn)一步驗(yàn)證濾波器的影響，單獨(dú)對(duì)濾波器在L頻段下進(jìn)行了溫變實(shí)驗(yàn)。測(cè)試條件為：溫度變化范圍為-45°～+75°，步進(jìn)值為30°。饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變化量即為：環(huán)境溫度從-45°變化到+75°，濾波器時(shí)延的最大值與最小值之差。

表3 濾波器時(shí)延隨溫度變化結(jié)果（ns）

圖6 濾波器時(shí)延隨溫度變化趨勢(shì)圖

表3和圖7分別給出了L頻段濾波器隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和變化趨勢(shì)，可以看出L頻段的濾波器時(shí)延幾乎是隨溫度呈線性變化，變化幅度比較大。為此，在工程上，為保證L頻段的時(shí)延穩(wěn)定性，將L頻段濾波器安裝于溫度基本恒定的位置。另外，為了盡可能消除L頻段濾波器的時(shí)延變化影響，最好將濾波器安置于標(biāo)校環(huán)路內(nèi)。因此在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以把L頻段濾波器與后端饋線一起安置在裝有空調(diào)的發(fā)射機(jī)房?jī)?nèi)，置于功放前端。這樣的調(diào)整可帶來(lái)三個(gè)好處：一是機(jī)房?jī)?nèi)裝有精密空調(diào)，溫度恒定，可顯著減小濾波器時(shí)延變化。二是濾波器安置于標(biāo)校回路內(nèi)后，通過(guò)標(biāo)校回路可實(shí)時(shí)對(duì)濾波器時(shí)延進(jìn)行標(biāo)定，消除了L頻段濾波器時(shí)延變化對(duì)系統(tǒng)的影響。三是發(fā)射饋線為硬電纜連接，原配置無(wú)法對(duì)饋線匹配進(jìn)行調(diào)整。濾波器后移后，通過(guò)調(diào)整濾波器可以對(duì)饋線匹配進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，可更好地實(shí)現(xiàn)功放與天線的匹配。

4 饋線段時(shí)延變化

拋物面天線饋線段指的是從天線中心體內(nèi)的場(chǎng)放輸出端到發(fā)射機(jī)房信道機(jī)柜輸入端，整個(gè)饋線段包含有方位關(guān)節(jié)、俯仰關(guān)節(jié)、各段連接線纜。如圖7所示，為構(gòu)成測(cè)試回路，需要將一路接收通道用于上行發(fā)射標(biāo)校信號(hào)，另外需引入測(cè)試輔助電纜連接接收俯仰關(guān)節(jié)與接收俯仰關(guān)節(jié)。其測(cè)試信號(hào)流程為：矢網(wǎng)發(fā)端口→標(biāo)校方位關(guān)節(jié)→標(biāo)校俯仰關(guān)節(jié)→接收俯仰關(guān)節(jié)→接收方位關(guān)節(jié)→矢網(wǎng)收端口。測(cè)試回路中所有測(cè)試線纜均保持固定，可以避免測(cè)試中電纜甩動(dòng)造成的時(shí)延抖動(dòng)，提高測(cè)試精度。測(cè)試條件為：天線方位和俯仰同時(shí)保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，矢網(wǎng)每秒記錄一次回路時(shí)延變化值，連續(xù)記錄直到天線方位旋轉(zhuǎn)360°，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)90°為止。饋線段時(shí)延的最大值與最小值之差。

圖7 饋線段時(shí)延變化測(cè)試圖

其時(shí)延特性結(jié)果分別如圖8所示：

圖8 饋線段隨天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)延變化測(cè)試圖

從圖8中可以看出，拋物面天線接收鏈路時(shí)延特性非常平坦，時(shí)延變化范圍在0.05ns以內(nèi)，適合應(yīng)用于對(duì)時(shí)延穩(wěn)定性有較高要求的導(dǎo)航系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)其時(shí)延穩(wěn)定性僅取決于動(dòng)環(huán)與定環(huán)間的連接電纜的時(shí)延特性以及該連接電纜的卷繞方式。選擇機(jī)械柔軟（轉(zhuǎn)彎半徑小）、寬溫、穩(wěn)相電纜以及設(shè)計(jì)均勻受力的電纜卷繞方式就能保證信號(hào)時(shí)延傳遞的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)拋物面天線系統(tǒng)的各個(gè)組成部分時(shí)延變化特性分析和實(shí)驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：天線設(shè)備時(shí)延變化量主要是由饋源段時(shí)延隨溫度變化引起，而且饋源段中的濾波器時(shí)延隨溫度變化較大。根據(jù)該結(jié)論，對(duì)拋物面天線的結(jié)構(gòu)提出了調(diào)整方案，將濾波器置于恒溫環(huán)境中，并作為標(biāo)校回路的一部分可實(shí)時(shí)消除濾波器的時(shí)延變化。