拋物面天線時延變化特性研究

黃旭峰，馬 煦

（北京衛星導航中心，北京 100094）

拋物面天線是衛星導航地面站的重要組成部分，負責完成衛星與地面站時間同步上行信號發射和下行信號接收，是偽距測量重要設備，因此要求天線自身的時延相對穩定。

天線系統時延標定后，其時延變化的主要因素有兩個：一是環境溫度的變化帶來的天線時延變化；二是轉動時帶來的天線時延變化。

1 天線時延組成

天線系統如圖1所示按照信號傳輸的路徑可以分為反射面光程段、饋源段（喇叭+網絡）、饋線段。每個組成部分的物理結構和電磁波傳播機理不同，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房，而同軸電纜的時延對溫度的變化規律比較明確。因此，饋線段主要研究轉動時天線時延變化；反射面光程段和饋源段在天線轉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星導航系統測距精度，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、饋源網絡和濾波器等幾部分，其中喇叭段因溫度變化而產生的時延變化可以通過計算方法得到；饋源網絡和濾波器時延隨溫度的變化較為復雜。為此，分別對含濾波器的饋源網絡、不含濾波器的饋源網絡及濾波器進行溫變實驗，分析了溫變條件下不含喇叭段的饋源段時延變化特點，并根據實驗結果合理設計了工程實現方案。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，引起時延發生變化的原因是外部熱環境變化導致喇叭長度發生變化。熱環境導致喇叭長度的變化量以及相應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，因此喇叭短時延隨溫度的變化量可以等效為圓波導時延隨溫度的變化量。在空氣填充波導中電磁波傳播的時延公式為：

式中，l為波導長度。

由上式可看出，只要求出波導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，對衛星導航系統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 饋源網絡段時延變化

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，所以天線設備時延隨溫度的變化量就主要取決于饋源網絡。為了分析在溫變條件下，濾波器對饋源網絡時延變化的影響，將饋源網絡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定性。關于饋源網絡在溫變條件下的時延變化特性測量的具體操作如下：首先，對矢量網絡分析儀進行初始定標；然后，按照圖3所示連接待測饋源網絡，將待測部件放置在溫箱內，調節溫箱溫度，利用矢量網絡分析儀直接測量天線饋源網絡在不同溫度和不同頻率下的時延值，并記錄測量結果。測試條件為：溫度變化范圍為10°～+40°，步進值為5o。饋源網絡時延變化量即為：環境溫度從10°變化到+45°，饋源網絡時延的最大值與最小值之差。

圖3 饋源網絡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絡時延變化的實驗及結果。

表2 13m天線饋源網絡L頻段時延隨溫度變化結果（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絡在L波段的時延隨溫度變化卻非常小。

圖4 13m天線L發射頻段1340MHz饋源網絡時延隨溫度變化趨勢圖

圖5 13m線L接收頻段1268MHz饋源網絡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絡時延溫變實驗結果可以發現，濾波器造成了饋源網絡時延隨溫度而發生較大變化。L頻段由于頻率間隔近，抑制度高，阻發濾波器采用帶通形式，其駐波和隔離的響應曲線都很陡，大的溫度變化會導致時延變化較大。因此，濾波器是造成L頻段饋源網絡時延隨溫度變化大的主要原因。為此，為進一步驗證濾波器的影響，單獨對濾波器在L頻段下進行了溫變實驗。測試條件為：溫度變化范圍為-45°～+75°，步進值為30°。饋源網絡時延變化量即為：環境溫度從-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校環路內。因此在工程實現時，可以把L頻段濾波器與后端饋線一起安置在裝有空調的發射機房內，置于功放前端。這樣的調整可帶來三個好處：一是機房內裝有精密空調，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?；芈穬群?，通過標?；芈房蓪崟r對濾波器時延進行標定，消除了L頻段濾波器時延變化對系統的影響。三是發射饋線為硬電纜連接，原配置無法對饋線匹配進行調整。濾波器后移后，通過調整濾波器可以對饋線匹配進行適當調整，可更好地實現功放與天線的匹配。

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的場放輸出端到發射機房信道機柜輸入端，整個饋線段包含有方位關節、俯仰關節、各段連接線纜。如圖7所示，為構成測試回路，需要將一路接收通道用于上行發射標校信號，另外需引入測試輔助電纜連接接收俯仰關節與接收俯仰關節。其測試信號流程為：矢網發端口→標校方位關節→標校俯仰關節→接收俯仰關節→接收方位關節→矢網收端口。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動，矢網每秒記錄一次回路時延變化值，連續記錄直到天線方位旋轉360°，俯仰轉動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

其時延特性結果分別如圖8所示：

圖8 饋線段隨天線轉動時延變化測試圖

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，適合應用于對時延穩定性有較高要求的導航系統。旋轉關節其時延穩定性僅取決于動環與定環間的連接電纜的時延特性以及該連接電纜的卷繞方式。選擇機械柔軟（轉彎半徑?。?、寬溫、穩相電纜以及設計均勻受力的電纜卷繞方式就能保證信號時延傳遞的穩定性。

5 結束語

通過對拋物面天線系統的各個組成部分時延變化特性分析和實驗，可以得出如下結論：天線設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。根據該結論，對拋物面天線的結構提出了調整方案，將濾波器置于恒溫環境中，并作為標?；芈返囊徊糠挚蓪崟r消除濾波器的時延變化。