馬 煦，段恒毅

（1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094；2.中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

1 引言

天線作為一種無源器件，在周邊環(huán)境不變的情況下，通常認(rèn)為其性能性能是穩(wěn)定的，也就是不隨時(shí)間變化的。但實(shí)際上在有些情況下，設(shè)計(jì)不良的天線是會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的不穩(wěn)。比如某測向設(shè)備在使用中就曾發(fā)現(xiàn)從測向接收的單元天線輸出的接收信號(hào)相位會(huì)隨時(shí)間緩慢漂移。經(jīng)過長時(shí)間觀察還會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)相位的漂移具有近似來回振蕩的特點(diǎn)，其最大漂移量可達(dá)20°。圖1是我們在天線測量暗室中觀察到的天線單元在10分鐘以后頻率2GHz-12GHz接收信號(hào)的時(shí)變相位漂移情況。

圖1 天線10分鐘的相位漂移

在干涉儀測向系統(tǒng)中，各測相通道的相位穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)準(zhǔn)確測定來波波達(dá)方向的基礎(chǔ)[1][2]，而幅度達(dá)20°的時(shí)變相位漂移量對(duì)這種體制的測向系統(tǒng)來說顯然不可以忽視，因此問題的嚴(yán)重性是不言而喻的。然而，在著手對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行研究時(shí)，對(duì)國內(nèi)公開發(fā)表的有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)資料進(jìn)行檢索后卻沒有發(fā)現(xiàn)有關(guān)這方面的論述，因此本文只好根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)這一問題進(jìn)行分析研究，我們的分析研究從信號(hào)的迭加干涉開始。

2 同頻信號(hào)的迭加干涉

先假設(shè)兩路同頻信號(hào)分別為

當(dāng)這兩路信號(hào)迭加以后得到

令 A=ES0+EJ0cos（φ），B=EJ0sin（φ），式（2）可以寫成

其中

如果ES0》EJ0，則式（4）可以簡化成

3 共模電流對(duì)天線信號(hào)相位的影響

一個(gè)天線系統(tǒng)是由天線以及連接在天線上的饋線組成的。當(dāng)外來電磁波照射到天線上時(shí)，也同時(shí)照射到連接天線的饋電同軸線外皮上。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的天饋系統(tǒng)，天線和饋電同軸線外皮是相互隔離的，也就是說在即便饋電同軸線外皮感應(yīng)有電流也不會(huì)通過和天線的接口流入到饋線內(nèi)部。但是有些設(shè)計(jì)不夠謹(jǐn)慎的天線會(huì)有隔離不好的情況，于是在饋電同軸線外皮感應(yīng)的共模電流就會(huì)通過天線端口流入到饋線內(nèi)部。我們假設(shè)通過天線進(jìn)入饋線的信號(hào)為（1a），進(jìn)入的饋電同軸線外皮感應(yīng)的共模電流信號(hào)為（1b），它們在饋線內(nèi)合成信號(hào)（3）。如果天線接收的信號(hào)，饋電同軸線外皮感應(yīng)的共模電流信號(hào)以及它們之間的相位差都是恒定的，最后天線輸出的信號(hào)僅僅是幅度的大小量值有些不同而已，如果這兩個(gè)信號(hào)之間的相位差是變化的，情況就將大不一樣了。

為了說明這種情況，我們?nèi)韵葘栴}簡化一下。這里我們假設(shè)天線接收的信號(hào)強(qiáng)度比同軸線外皮感應(yīng)的共模電流信號(hào)大得多，因?yàn)樘炀€的接收效率通常會(huì)比同軸電纜感應(yīng)外來電磁波的效率要高，這也是我們在實(shí)際工程中最常見的一種情形。由（3）可以得到天線輸出信號(hào)的相位

由式（7）可見，天線輸出信號(hào)相位變化的最大幅度是由EJ0/ES0來決定，干擾信號(hào)的強(qiáng)度越大，其相位漂移的幅度會(huì)越大。比如天線最大漂移相位幅度是20°，由式（7）可以算出共模干擾電流信號(hào)比天線接收的信號(hào)小-9dB。

如果共模電流信號(hào)與天線接收信號(hào)之間的相位差是恒定不變的，天線輸出信號(hào)的相位是不會(huì)變化的。然而測試中我們確實(shí)觀察到天線輸出信號(hào)相位的變化，這個(gè)變化是怎么來的呢?我們知道共模電流是入射電磁波照射到饋電同軸線外皮上產(chǎn)生的，這個(gè)電流沿著同軸線外導(dǎo)體的外邊流向天線端口，在此期間，由于天氣溫度的變化，同軸線的長度是會(huì)發(fā)生變化的。我們假設(shè)其熱膨脹系數(shù)為α，共模電流流動(dòng)的路徑長度假設(shè)為L，那么由同軸線長度變化帶來的相位變化為

考慮天線工作現(xiàn)場環(huán)境溫度隨時(shí)間變化導(dǎo)致同軸線長度變化為時(shí)間函數(shù)，因此在引入隨時(shí)間變化的溫度T（t）以后式（8）可以寫成

圖2 共模電流流入接收天線端口引起的信號(hào)相位變化

大多數(shù)情況我們使用的同軸線內(nèi)外導(dǎo)體都是銅質(zhì)的，銅的熱膨脹系數(shù)為17.7×10-6m/C°，而氣溫變化我們假設(shè)為0.5C°/h，根據(jù)式（7）可以算出工作頻率2GHz-12GHz的共模電流流經(jīng)的路徑長度為1000mm時(shí)接收天線10分鐘的信號(hào)相位變化（見圖2）。

比較圖2和圖1可知，由式（7）計(jì)算的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。

4 結(jié)束語

本文對(duì)天線工程應(yīng)用中出現(xiàn)的接收信號(hào)相位漂移現(xiàn)象進(jìn)行了分析，提出了相位漂移產(chǎn)生的機(jī)理并推導(dǎo)了相應(yīng)的分析計(jì)算公式。利用文中所述機(jī)理可以對(duì)工程中出現(xiàn)的相位漂移現(xiàn)象作出合理解釋，利用推導(dǎo)的計(jì)算公式計(jì)算得到的結(jié)果也和實(shí)驗(yàn)中觀察到的情況吻合一致。