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)星與地面站時間同步上行信號發(fā)射和下行信號接收，是偽距測量重要設(shè)備，因此要求天線自身的時延相對穩(wěn)定。

天線系統(tǒng)時延標(biāo)定后，其時延變化的主要因素有兩個：一是環(huán)境溫度的變化帶來的天線時延變化；二是轉(zhuǎn)動時帶來的天線時延變化。

1 天線時延組成

天線系統(tǒng)如圖1所示按照信號傳輸?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。每個組成部分的物理結(jié)構(gòu)和電磁波傳播機(jī)理不同，其時延變化特性也會有所不同，需要對各個部分分別進(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，而同軸電纜的時延對溫度的變化規(guī)律比較明確。因此，饋線段主要研究轉(zhuǎn)動時天線時延變化；反射面光程段和饋源段在天線轉(zhuǎn)動時相對信號傳輸方向相對靜止，因此需要研究其隨溫度變化的特性；三個部分時延變化量的均方根值就是天線系統(tǒng)時延變化量。

圖1 天線時延組成圖

2 光程段時延變化

由溫度變化引起的光程段時延變化可以通過理論計算得到。光程段時延變化主要是由于天線相位中心參考點的變化引起，天線相位中心參考點選在天線口面中心，該參考點主要受環(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的位移變化量（圖2中的DMX表示相位中心參考點的位移變化量）。

圖2 溫差為50度時的天線相位中心參考點的位移

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

3 饋源段時延變化

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)生的時延變化可以通過計算方法得到；饋源網(wǎng)絡(luò)和濾波器時延隨溫度的變化較為復(fù)雜。為此，分別對含濾波器的饋源網(wǎng)絡(luò)、不含濾波器的饋源網(wǎng)絡(luò)及濾波器進(jìn)行溫變實驗，分析了溫變條件下不含喇叭段的饋源段時延變化特點，并根據(jù)實驗結(jié)果合理設(shè)計了工程實現(xiàn)方案。下面將分別介紹饋源段各個組成部分在溫變條件下的時延變化特點和測量方法。

3.1 喇叭段時延變化

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

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

式中，l為波導(dǎo)長度。

由上式可看出，只要求出波導(dǎo)長度隨溫度的變化量Δl，就可求出時延變化量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，喇叭長度的變化公式為

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，長度將變化Δlh：

因此，喇叭的時延變化量為：

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

表1 喇叭不同頻率條件下的Δτh值

3.2 饋源網(wǎng)絡(luò)段時延變化

如前所述，光程段和喇叭段的時延受溫度的影響可以忽略不計，所以天線設(shè)備時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，濾波器對饋源網(wǎng)絡(luò)時延變化的影響，將饋源網(wǎng)絡(luò)分為含濾波器模式和不含濾波器模式，并單獨測試了L頻段濾波器在溫變條件下的時延穩(wěn)定性。關(guān)于饋源網(wǎng)絡(luò)在溫變條件下的時延變化特性測量的具體操作如下：首先，對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行初始定標(biāo)；然后，按照圖3所示連接待測饋源網(wǎng)絡(luò)，將待測部件放置在溫箱內(nèi)，調(diào)節(jié)溫箱溫度，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測量天線饋源網(wǎng)絡(luò)在不同溫度和不同頻率下的時延值，并記錄測量結(jié)果。測試條件為：溫度變化范圍為10°～+40°，步進(jìn)值為5o。饋源網(wǎng)絡(luò)時延變化量即為：環(huán)境溫度從10°變化到+45°，饋源網(wǎng)絡(luò)時延的最大值與最小值之差。

圖3 饋源網(wǎng)絡(luò)時延變化量測試框圖

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)時延變化的實驗及結(jié)果。

表2 13m天線饋源網(wǎng)絡(luò)L頻段時延隨溫度變化結(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了0.2ns。相反地，不含濾波器的饋源網(wǎng)絡(luò)在L波段的時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)時延隨溫度變化趨勢圖

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

通過比較含濾波器與不含濾波器的饋源網(wǎng)絡(luò)時延溫變實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，濾波器造成了饋源網(wǎng)絡(luò)時延隨溫度而發(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，大的溫度變化會導(dǎo)致時延變化較大。因此，濾波器是造成L頻段饋源網(wǎng)絡(luò)時延隨溫度變化大的主要原因。為此，為進(jìn)一步驗證濾波器的影響，單獨對濾波器在L頻段下進(jìn)行了溫變實驗。測試條件為：溫度變化范圍為-45°～+75°，步進(jìn)值為30°。饋源網(wǎng)絡(luò)時延變化量即為：環(huán)境溫度從-45°變化到+75°，濾波器時延的最大值與最小值之差。

表3 濾波器時延隨溫度變化結(jié)果（ns）

圖6 濾波器時延隨溫度變化趨勢圖

表3和圖7分別給出了L頻段濾波器隨溫度變化的實驗結(jié)果和變化趨勢，可以看出L頻段的濾波器時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)。因此在工程實現(xiàn)時，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)房內(nèi)，置于功放前端。這樣的調(diào)整可帶來三個好處：一是機(jī)房內(nèi)裝有精密空調(diào)，溫度恒定，可顯著減小濾波器時延變化。二是濾波器安置于標(biāo)校回路內(nèi)后，通過標(biāo)?；芈房蓪崟r對濾波器時延進(jìn)行標(biāo)定，消除了L頻段濾波器時延變化對系統(tǒng)的影響。三是發(fā)射饋線為硬電纜連接，原配置無法對饋線匹配進(jìn)行調(diào)整。濾波器后移后，通過調(diào)整濾波器可以對饋線匹配進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，可更好地實現(xiàn)功放與天線的匹配。

4 饋線段時延變化

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

圖7 饋線段時延變化測試圖

其時延特性結(jié)果分別如圖8所示：

圖8 饋線段隨天線轉(zhuǎn)動時延變化測試圖

從圖8中可以看出，拋物面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(nèi)，適合應(yīng)用于對時延穩(wěn)定性有較高要求的導(dǎo)航系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)其時延穩(wěn)定性僅取決于動環(huán)與定環(huán)間的連接電纜的時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?。?、寬溫、穩(wěn)相電纜以及設(shè)計均勻受力的電纜卷繞方式就能保證信號時延傳遞的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

通過對拋物面天線系統(tǒng)的各個組成部分時延變化特性分析和實驗，可以得出如下結(jié)論：天線設(shè)備時延變化量主要是由饋源段時延隨溫度變化引起，而且饋源段中的濾波器時延隨溫度變化較大。根據(jù)該結(jié)論，對拋物面天線的結(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)?；芈返囊徊糠挚蓪崟r消除濾波器的時延變化。