溫變條件下拋物面天線時(shí)延特性研究

溫日紅,馮曉超

(中國人民解放軍61081部隊(duì),北京100094)

0 引言

拋物面天線是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成時(shí)間同步,建立導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)和坐標(biāo)基準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)備,準(zhǔn)確掌握天線時(shí)延特性是確保系統(tǒng)業(yè)務(wù)精度的前提條件。拋物面天線時(shí)延受到各種環(huán)境因素的影響,如環(huán)境溫度變化、基礎(chǔ)形變、風(fēng)載荷影響、自身重力載荷影響以及結(jié)構(gòu)件老化形變等;其中,環(huán)境溫度變化是影響拋物面天線時(shí)延的主要因素之一。首先分析了GNSS拋物面拋物面天線相位中心和設(shè)備時(shí)延2項(xiàng)重要參數(shù),然后根據(jù)天線基本結(jié)構(gòu)分光程段、饋源段和饋線段3部分對(duì)天線時(shí)延在溫度變化條件下的時(shí)延特性進(jìn)行了深入的研究。

1 GNSS系統(tǒng)拋物面天線

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)中,地面運(yùn)行控制設(shè)備通過拋物面天線完成對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星星地時(shí)間同步上行信號(hào)發(fā)射和下行信號(hào)接收、偽距測(cè)量、導(dǎo)航電文注入和遙測(cè)遙控信息管理,完成地面主控站與各備份注入站和監(jiān)測(cè)站的站間時(shí)間同步信號(hào)發(fā)射與接收、偽距測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。拋物面天線設(shè)備時(shí)延標(biāo)定的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度會(huì)影響系統(tǒng)的時(shí)間同步性能,從而影響整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的PNT(導(dǎo)航、定位和授時(shí))業(yè)務(wù)精度。

1.1 參考相位中心

對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而言,拋物面天線需選擇一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn),此基準(zhǔn)點(diǎn)可視為電磁波在空間傳播和在地面設(shè)備中傳播及處理的轉(zhuǎn)換點(diǎn),以進(jìn)行星地距離的實(shí)時(shí)計(jì)算和電離層延遲計(jì)算等。

如果把喇叭饋源的物理相位中心作為基準(zhǔn)點(diǎn),由于電磁波傳播的空間路徑中包含了主、副反射面的反射路徑時(shí)延,利用此基準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算的星地幾何距離與電磁波從衛(wèi)星到此基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)際傳播距離是不相同的,因此,將喇叭饋源物理相位中心作為天線基準(zhǔn)點(diǎn)并不合適。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,通常將拋物面天線口面中心選擇為電磁波空間傳播時(shí)延和地面設(shè)備時(shí)延的基準(zhǔn)分界點(diǎn),而電磁波從饋源相位中心經(jīng)副、主反射面再到天線口面的電磁波傳播時(shí)延可視為地面設(shè)備時(shí)延的一部分。這樣,利用此基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算得到的星地距離與電磁波從衛(wèi)星傳播到該點(diǎn)的距離是一致的,通常將該基準(zhǔn)點(diǎn)定義為拋物面天線的參考相位中心。參考相位中心很好的解決了拋物面天線設(shè)備時(shí)延起始基準(zhǔn)點(diǎn)的問題,拋物面參考相位中心可通過天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸算標(biāo)定。拋物面天線參考相位中心示意圖如圖1所示。

圖1 拋物面天線參考相位中心示意圖

1.2 天線時(shí)延

拋物面天線設(shè)備時(shí)延定義為電磁波從天線口平面?zhèn)鬏數(shù)金佋摧敵隹?或從饋源輸入口傳輸?shù)教炀€口平面)的信號(hào)延遲量。根據(jù)拋物面天線結(jié)構(gòu)和電磁波傳輸機(jī)理,可以把信號(hào)在天線中的傳輸路徑分為天線段(光程段)、饋源段和饋線段3部分,如圖2所示。

圖2 拋物面天線時(shí)延組成結(jié)構(gòu)

天線段中,電磁波以開放場(chǎng)形式傳播,其傳播路徑符合光學(xué)原理,也稱光程段。光程段時(shí)延起始點(diǎn)從天線口面到喇叭相心,由饋源相心發(fā)出的球面波經(jīng)主、副反射面反射后在主面口面處形成平面波;從饋源相心(天線焦點(diǎn))到天線口面的每一條波束都是等長的,這一光程時(shí)延特性通過計(jì)算是可以得到其精確數(shù)值的。

饋源段包括了喇叭、饋源網(wǎng)絡(luò)和濾波器等重要環(huán)節(jié)。喇叭時(shí)延是從喇叭相心到喇叭輸入口;饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是饋源網(wǎng)絡(luò)輸出口即喇叭輸入口到饋源網(wǎng)絡(luò)輸入口(收發(fā)網(wǎng)絡(luò)),主要由波紋喇叭、跟蹤器和極化器等構(gòu)成。電磁波在這些部件中的傳輸特性各不相同,而且部件內(nèi)部和部件之間也會(huì)存在耦合和一定的反射,因此不能通過簡單的結(jié)構(gòu)計(jì)算來獲得饋源的時(shí)延值,需要通過精密儀器標(biāo)定測(cè)量獲得時(shí)延值。

饋線段主要由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和電纜等組成。由于這部分的部件在天線運(yùn)動(dòng)過程中要發(fā)生相對(duì)位移。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,通常對(duì)饋線部分時(shí)延采用事先標(biāo)定、在線標(biāo)校及實(shí)時(shí)監(jiān)控的方法取得。

2 溫度變化條件下天線時(shí)延特性

拋物面天線設(shè)備時(shí)延受到各種環(huán)境因素的影響,其中工作環(huán)境的溫度是影響拋物面天線時(shí)延變化的主要原因。由于天線系統(tǒng)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,受溫度變化影響的時(shí)延特性也會(huì)有所差異。

2.1 天線光程段時(shí)延特性

光程段時(shí)延變化主要是由于溫度變化引起天線結(jié)構(gòu)形變,導(dǎo)致拋物面天線參考相位中心基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生位移,引起拋物面天線的時(shí)延變化。通過利用ANSIS力學(xué)分析軟件仿真分析了某工程13 m拋物面天線在俯仰角固定條件下,溫度變化引起的天線相位中心基準(zhǔn)點(diǎn)位移變化量。仿真結(jié)果表明,在俯仰角固定條件下,溫度變化50℃時(shí),從饋源到主面口面的光程變化小于10 mm,即0.033 3 ns。

2.2 饋源段時(shí)延特性

饋源段主要由喇叭和饋源網(wǎng)絡(luò)組成。在溫度變化條件下,每部分由于構(gòu)件結(jié)構(gòu)和電波傳輸特性等因素,其時(shí)延特性表現(xiàn)也不盡相同。

2.2.1 喇叭段時(shí)延特性

天線工作環(huán)境溫度變化引起喇叭長度發(fā)生改變,導(dǎo)致喇叭時(shí)延值變化。喇叭可等效為圓波導(dǎo),喇叭時(shí)延隨溫度的變化量可等效為圓波導(dǎo)時(shí)延隨溫度的變化量,溫度變化導(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(jì)算方法可以得到。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)長度;c為光速;λ為信號(hào)波長。

喇叭長度隨溫度變化量 Δl與喇叭的材料有關(guān)。溫度變化時(shí),喇叭長度的變化公式為:

式中,ΔT為溫差,喇叭通常由合金鋁材加工而成,合金鋁的線脹系數(shù)為a=2.3×10-5/℃。

以某工程中13 m拋物面天線為例,其喇叭長度為1 887 mm,相心距口面為800 mm,在溫度變化60℃條件下,喇叭對(duì)不同頻率信號(hào)的時(shí)延值統(tǒng)計(jì)入表1所示。

數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:在溫度變化60℃條件下,喇叭段時(shí)延變化優(yōu)于0.01 ns,在實(shí)際工程應(yīng)用中,喇叭段時(shí)延可忽略不計(jì)。

2.2.2 饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性

由于饋源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜,電磁波在其中傳輸會(huì)遇到各種反射和耦合作用。而且當(dāng)溫度變化時(shí),饋源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形變很難進(jìn)行定量分析計(jì)算。因此溫度變化條件下,饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性不能采用類似于喇叭時(shí)延分析方法進(jìn)行。

對(duì)饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性采用溫變?cè)囼?yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)分析。將待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)放置在溫箱內(nèi),調(diào)節(jié)溫箱溫度,利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)時(shí)測(cè)量不同頻率饋源網(wǎng)絡(luò)隨溫度變化的時(shí)延值。在試驗(yàn)溫度變化范圍為-45℃～+75℃、步進(jìn)值為5℃的測(cè)試條件下,以某工程13 m拋物面天線饋源網(wǎng)絡(luò)為例,其時(shí)延特性變化如圖3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明:在-45～+75℃的溫度變化范圍內(nèi),濾波器是造成饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延變化幅度較大的主要因素。在工程應(yīng)用中,濾波器工作環(huán)境溫度的相對(duì)恒定是確保饋源網(wǎng)絡(luò)時(shí)延穩(wěn)定的前提。

圖3 13 m天線饋源網(wǎng)絡(luò)隨溫度變化時(shí)延特性

2.3 饋線段時(shí)延特性

拋物面天線饋線段主要由波導(dǎo)、射頻電纜或旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成,饋線段時(shí)延受溫度變化影響相對(duì)較小。經(jīng)過對(duì)應(yīng)用于某工程型號(hào)中的L頻段13 m拋物面天線饋線段在溫度變化條件下的時(shí)延特性測(cè)量結(jié)果表明:在溫度變化-45～+75℃范圍內(nèi),饋線段時(shí)延變化幅度不超過0.005 ns,在實(shí)際工程應(yīng)用中,饋線段時(shí)延變化可忽略不計(jì)(注:試驗(yàn)饋線為長度約20 m的ANDREW同軸射頻電纜。)。

3 結(jié)束語

根據(jù)拋物面天線時(shí)延特性,在GNSS系統(tǒng)拋物面天線設(shè)計(jì)時(shí),需優(yōu)化天線結(jié)構(gòu),保持濾波器工作環(huán)境溫度的相對(duì)恒定,以保證濾波器時(shí)延的穩(wěn)定性。同時(shí),采用標(biāo)校環(huán)路對(duì)濾波器的時(shí)延變化進(jìn)行實(shí)時(shí)在線標(biāo)定和監(jiān)測(cè),盡可能降低濾波器時(shí)延變化的影響。

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