北斗導航接收機綜合測試微波暗室結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

蔡金珠

（中國電子科技集團公司第54研究所，石家莊 050081）

引言

隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應(yīng)用的深入，北斗衛(wèi)星導航接收機的品種越來越豐富。迫切需要建設(shè)綜合的高精度北斗衛(wèi)星導航接收機測量多用微波暗室，以滿足對產(chǎn)品質(zhì)量檢驗的工作需要。提供了一種適應(yīng)多型號衛(wèi)星導航接收機天線相位中心精確測量，接收綜合指標測試、抗干擾試驗的微波暗室結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

1 滿足高精度天線相位中心測量的微波暗室結(jié)構(gòu)尺寸估算

為了提高大地測量型衛(wèi)星導航接收機的測量精度，就需要確定該型號接收機的接收天線的相位中心的位置是否與接收天線的幾何中心重合[1]。因為大地測量型接收機在實際測量時測量人員是以天線幾何中心為參考零點的，而北斗導航接收機實施距離測量的參考基準又是以接收天線相位中心為參考的，所以這兩個中心必須重合一致才能滿足測量精度的要求。

測量接收機接收的北斗衛(wèi)星信號來自距地球2萬公里的中軌跡衛(wèi)星。從這些中軌衛(wèi)星發(fā)來的電磁波非常接近平面波。這就要求測試環(huán)境滿足平面波的要求。因此微波暗室的尺寸就要足夠大，但是微波暗室尺寸越大建造成本也就越高，所以需要在保證測量精度的情況下盡可能小。

如圖1所示，AB是被測接收機的接收天線，O是天線的幾何中心，A是天線的最外邊，AB的長度等于天線半徑。O是發(fā)射天線所在位置，OB的長等于R。OA的長較OB為長，還多出一段路程△。通過對△的控制就可以控制測量精度。

圖1 結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

由圖可得：

式中：

R—發(fā)射天線到接收天線之間的距離；

D—接收天線最大有效尺；

△—從O點發(fā)出的電波到達接收天線中心B與到達天線邊緣A的路程差。

化簡得：

忽略高階量2Δ則：

以上計算未考慮發(fā)射天線的有效尺寸，在考慮發(fā)射天線的有效尺寸的情況下式（2）可變?yōu)椋?/p>

式中：

d—發(fā)射天線最大有效尺寸。

由于路程差△引起的相位差為：

將其代入式（3）得：

北斗衛(wèi)星導航大地測量型接收機相對定位測量精度可達毫米級（5 mm），這包括接收天線相位中心偏差的精度和載波相位的精確測定。要求天線相位中心與天線幾何中心的偏差不大于2 mm，而北斗B3頻率為1 340.13 MHz，2 mm偏差折算為相位差最大為：

要保證此精確度則式（4）則R最小為：

取D=d=0.32 m，λ=0.2 m，代入式（5）得：R=29.12 m。

2 抗干擾能力測試微波暗室結(jié)構(gòu)尺寸估算

北斗衛(wèi)星導航的接收機處于復雜的電磁環(huán)境中，必須具有極強的抗干擾能力，為此微波暗室設(shè)置了多波束收發(fā)天線來驗證接收機的抗干擾能力。多波束天線與導航接收機之間的距離要在保持測量準確度的情況下也應(yīng)滿足近似的遠場條件，但是對遠場條件的要求比對相位中心測量要求低，這種情況下由于路程差引起的相位誤差可以降低到7.20，將此值代入式（4）得：

仍按上述值估算，得R=12.8 m。

3 綜合測試微波暗室結(jié)構(gòu)尺寸估算

這樣相位中心測量的微波暗室和適宜抗干擾驗證的微波暗室的最小尺寸估算完畢，但是僅僅依靠這兩個數(shù)據(jù)還不能確定微波暗室的實際尺寸，還必須考慮發(fā)射與接收天線與主反射墻壁的距離，以滿足反射電平足夠小的要求，而且還要考慮分別建設(shè)兩個滿足需求的微波暗室的建造成本問題。

先考慮第二個問題。將兩個微波暗室垂直設(shè)計。抗干擾微波暗室收發(fā)天線以南北方向布置，而相位測量微波暗室收發(fā)天線以東西方向布置。由于相位測量微波暗室長度較抗干擾微波暗室長的多，所以要再抗干擾微波暗室的墻壁上開一個洞，以便讓相位測量的發(fā)射信號穿過這個洞到達接收機。這樣一來抗干擾試驗的發(fā)射信號也必然從洞中穿過進入相位測量暗室。但是我們可以通過設(shè)計以及鋪設(shè)吸波材料來大幅降低抗干擾信號到達相位測量接收機的信號電平。

再來考慮第一個問題。吸波材料的吸波性能與電波入射角有密切關(guān)系，垂直入射時最好，目前可達40 dB，斜射時性能降低，在45 °入射時性能降低6 dB左右，入射角度大于45 °后吸收性能變壞的速度迅速增加。為了保證暗室的整體性能，保證發(fā)射波入射到四周墻壁并反射到被測天線時的入射角不大于60 °，對暗室的長、寬、高要統(tǒng)籌考慮。

微波暗室結(jié)構(gòu)示意圖見圖2所示。JKRS所圍成的暗室作為抗干擾微波暗室，JKLI所圍成的暗室作為相位中心測量微波暗室，SRLI所圍成的微波暗室用來測試接收機的其他性能指標。XY為抗干擾發(fā)射天線，WZ為被測接收機天線。AE為相位測量發(fā)射天線，F(xiàn)B為被測接收機天線。

圖2 微波暗室結(jié)構(gòu)示意圖

抗干擾驗證微波暗室靜區(qū)設(shè)計為 3 m×3 m×3 m的圓柱體，離主反射墻5 m，離地面4 m，位于暗室寬度JS的中心位置。發(fā)射天線距離墻面2 m。

這樣JKRS所圍成的暗室南北長度為：

設(shè)計值為20×15×12（m）。

相位中心測量暗室靜區(qū)設(shè)計為3 m× 3 m×3 m的圓柱體，離主反射墻7 m，離地面4 m，位于暗室寬度LI的中心位置。發(fā)射天線距離墻面3 m。

這樣JKRS所圍成的暗室東西長度為：

設(shè)計值為所圍成的暗室南北長度為：

設(shè)計值為為：40 m×25 m×16 m。

其他電性能指標測試微波暗室SRLI的設(shè)計尺寸為：30 m×25 m×14 m。

最后綜合考慮，暗室結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計為：

總長JI=40 m，寬度JK=25 m，高度為16 m。內(nèi)部尺寸JS=15 m。

洞口尺寸為4 m的正方形，正中心距地面6.5 m。

這樣設(shè)計建造的微波暗室可以滿足各種型號的北斗衛(wèi)星導航接收機的測試驗證需求。

4 結(jié)束語

北斗導航衛(wèi)星接收機種類繁多，要對產(chǎn)品質(zhì)量進行控制必須有適宜的測試環(huán)境，微波暗室的建造就顯得十分必要。如何既能滿足測試需要又要降低建造成本，本文提供的方法就是一個很好的例證。某單位已經(jīng)根據(jù)此方法建造了這樣一個微波暗室，在科研生產(chǎn)質(zhì)量控制中發(fā)揮了重要作用。