導(dǎo)航測(cè)量型天線相位中心穩(wěn)定度測(cè)量與分析

秦順友，張志華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

0 引言

天線相位中心是天線的重要性能指標(biāo)之一[1]，在很多現(xiàn)代科學(xué)和工程應(yīng)用中，天線相位中心的位置起著非常重要的作用。例如在地面站反射面天線應(yīng)用系統(tǒng)中，饋源喇叭的相位中心必須精確安裝在反射面天線的焦點(diǎn)位置，確保反射面天線具有良好的性能[2]，這樣要求精確測(cè)量饋源喇叭的相位中心[3]；又如在星載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，采用天線相位中心偏移方位多波束技術(shù)提高方位分辨率[4]；再如在GNSS(Global Navigation Satellite System)應(yīng)用系統(tǒng)中，通過(guò)測(cè)量載波信號(hào)衛(wèi)星和地面站地之間的傳輸時(shí)延進(jìn)行測(cè)距解算，而時(shí)延校準(zhǔn)參考點(diǎn)是發(fā)射天線和接收天線的相位中心[5]，因此測(cè)量導(dǎo)航天線相位中心測(cè)量精度及其穩(wěn)定度直接關(guān)系到導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)距的解算精度[6]。對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航天線，不僅關(guān)心天線的相位中心，而且其相位中心穩(wěn)定度亦是很重要的[7]。目前關(guān)于衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測(cè)量的文獻(xiàn)很多[8]，而相位中心穩(wěn)定度測(cè)量研究文獻(xiàn)很少。因此本文論述了導(dǎo)航測(cè)量型天線相位中心穩(wěn)定度的概念及其測(cè)量方法。

1 相位中心穩(wěn)定度

在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中，天線相位中心定義為：存在與天線相關(guān)的一個(gè)點(diǎn)，如果將它作為輻射遠(yuǎn)場(chǎng)的球面圓心，則輻射球面上給定場(chǎng)分量的相位應(yīng)基本是一個(gè)常數(shù)，至少在輻射的關(guān)鍵區(qū)域滿足[9]。相位中心可以簡(jiǎn)單理解為天線輻射電磁波的輻射源中心；從數(shù)學(xué)上理解相位中心可描述為天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)輻射場(chǎng)的等相位面的曲率中心。如果天線輻射的電磁波是一個(gè)球面波，在任意給定頻率下，使天線相位方向圖φ(θ,φ)與θ、φ無(wú)關(guān)的坐標(biāo)原點(diǎn),稱為球面波的相位中心，通常就是球心。反之，天線不同區(qū)域的等相位面有不同的曲率中心。

在整個(gè)空間，具有唯一相位中心的天線實(shí)際上是不多的，而絕大多數(shù)天線只在主瓣某一范圍內(nèi)或是以某點(diǎn)為參考點(diǎn)時(shí)，在所關(guān)心天線主波束一部分的角度范圍內(nèi)，天線的相位保持恒定，由此部分等相位面求出的相位中心，叫做天線的視在相位中心[10]。天線在不同切割面上可能有各自的相位中心，如果它們的相位中心不重合，說(shuō)明天線有相散。通常采用折衷的方法，求出天線在空間不同切割面相位中心平均值，稱為天線的平均相位中心。

相位中心穩(wěn)定度定義為：由通過(guò)天線主波束相位峰峰值的一半所對(duì)應(yīng)的波程距離，稱為相位中心的穩(wěn)定度，用公式表示為：

(1)

式中：

Δm為天線相位中心的穩(wěn)定度；

Δφ為天線主波束相位方向圖的峰值起伏；

λ為工作波長(zhǎng)。

由天線相位中心定義可知：天線不同切割面的相位中心位置是不同的，相應(yīng)地其相位中心的穩(wěn)定度是不同的。計(jì)算不同切割面相位中心穩(wěn)定度的平均值，稱為天線相位中心的平均穩(wěn)定度，它表征了天線相位中心在整個(gè)空域的特性。

2 相位中心穩(wěn)定度測(cè)量

天線相位中心穩(wěn)定度是通過(guò)測(cè)量天線相位方向圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，天線相位方向圖測(cè)量常用方法有：遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方法、近場(chǎng)測(cè)量方法和緊縮場(chǎng)測(cè)量方法[11]。利用實(shí)測(cè)相位方向圖，確定天線相位中心位置常用方法有：移動(dòng)參考點(diǎn)法[12]、關(guān)鍵點(diǎn)法(通常三點(diǎn)法或五點(diǎn)法)[13]、三天線法[14]和曲線擬合法(也稱最小二乘法)[15]。這里介紹在微波暗室遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)量衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量型天線相位方向圖，利用移動(dòng)參考點(diǎn)法確定天線相位中心的位置。

圖1為利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量導(dǎo)航測(cè)量型天線相位中心穩(wěn)定度的原理圖。圖中R為收發(fā)天線之間的測(cè)試距離，R應(yīng)滿足天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件，即R≥2D2/λ(D為待測(cè)天線最大尺寸，λ為工作波長(zhǎng))。圖中待測(cè)天線安裝在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上，且轉(zhuǎn)臺(tái)具有平移裝置和極化軸旋轉(zhuǎn)裝置。平移裝置用于實(shí)現(xiàn)待測(cè)天線相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的方位軸前后或左右的移動(dòng)，用來(lái)測(cè)量待測(cè)天線相位中心的位置；而極化軸旋轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)待測(cè)天線繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，用于測(cè)量不同切割面的相位方向圖，確定天線不同切割面的相位中心位置。

圖1 導(dǎo)航天線相位中心穩(wěn)定度測(cè)量的原理

天線相位方向圖測(cè)量就是測(cè)量待測(cè)天線遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)球面上的相位。相位是一個(gè)相對(duì)量，不論在什么情況下，都是將待測(cè)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)比較獲得相對(duì)相位值。

在微波暗室，利用移動(dòng)參考點(diǎn)法測(cè)量導(dǎo)航天線相位中心穩(wěn)定度的原理方法是：首先按照?qǐng)D1所示的原理圖建立測(cè)試系統(tǒng)，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線的相位方向圖，依據(jù)在天線主波束范圍內(nèi)所測(cè)量的相位方向圖形狀，確定天線相位中心參考點(diǎn)移動(dòng)方向[16]，重復(fù)測(cè)量天線相位方向圖，直到在所測(cè)量的天線主波束范圍內(nèi)，測(cè)出的相位方向圖特性等相位為止或滿足相位波動(dòng)要求，此時(shí)天線的相位中心與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸重合，用機(jī)械的方法測(cè)定天線相位中心的位置[17]；測(cè)定天線相位中心位置以后，然后轉(zhuǎn)動(dòng)切割面，同理完成天線不同切割面的相位中心位置的測(cè)量。實(shí)際上，天線不同切割面的相位中心位置可能不一致，甚至相差較大，此時(shí)精確測(cè)量出不同切割面相位中心的位置，采用折衷方法，求出天線平均相位中心位置。最后，重新安裝天線，使天線轉(zhuǎn)臺(tái)中心與測(cè)量的天線平均相位中心位置重合，測(cè)量天線不同切割面的相位方向圖，微調(diào)相位中心的位置，直到在測(cè)量的主波束角度范圍內(nèi)，所有不同切割面相位方向圖的起伏均達(dá)到要求值為止。

利用實(shí)際測(cè)量的不同切割面的相位方向圖，求出在關(guān)注的測(cè)量主波束角度范圍，天線相位方向圖波動(dòng)的最大值和最小值。不同切割面相位波動(dòng)的最大值分別用φmax1，φmax2，……φmaxN表示，最小值分別用φmin1，φmin2，……φminN表示，則不同切割面相位中心穩(wěn)定度為：

(2)

天線相位中心的平均穩(wěn)定度為：

(3)

3 測(cè)量實(shí)例與分析

以一個(gè)測(cè)量型導(dǎo)航天線相位中心穩(wěn)定度測(cè)量為例，說(shuō)明導(dǎo)航測(cè)量型天線相位中心穩(wěn)定度測(cè)量原理和方法。

圖2為一個(gè)測(cè)量型導(dǎo)航天線，該天線工作于1 157～1 278 MHz和1 557～1 612 MHz兩個(gè)頻段，覆蓋GPS的L1/L2波段、GLONASS的L1/L2波段和BDS的B1/B2/B3 波段，天線極化為右旋圓極化，天線采用多饋點(diǎn)和完全對(duì)稱的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)天線相位中心與幾何中心的重合，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量；該天線增益高，方向圖波束寬，對(duì)低仰角的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)接收效果好。

圖2 測(cè)量型導(dǎo)航天線

圖3為在微波暗室測(cè)量衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量型天線的實(shí)際裝置圖。圖中發(fā)射天線和待測(cè)天線均為導(dǎo)航測(cè)量型天線，其區(qū)別是待測(cè)天線為有源天線，即低噪放大器與天線單元集成在一起，而發(fā)射天線為無(wú)源天線，天線工作頻段和極化是一樣的。這樣使用的目的是減少微波暗室多重反射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，因?yàn)榘l(fā)射天線發(fā)射右旋圓極化波，微波暗室一次發(fā)射為左旋圓極化波，從而減少測(cè)試環(huán)境反射的影響。

圖3 導(dǎo)航天線相位中心穩(wěn)定度測(cè)量裝置

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先通過(guò)測(cè)量不同切割面相位方向圖，確定不同切割面相位中心位置，計(jì)算出導(dǎo)航測(cè)量型天線的平均相位中心的位置；然后調(diào)整天線平均相位中心位置與轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心重合，測(cè)量不同切割面的相位方向圖。圖4給出了測(cè)試頻率為1 207 MHz，在0°切割面、22.5°切割面、45°切割面、67.5°切割面以及90°切割面的相位方向圖。表1給出了在天線主波束±50°角度范圍內(nèi)，天線相位中心穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果。由測(cè)量不同切割面天線相位中心穩(wěn)定度可獲得天線相位中心平均穩(wěn)定度≤±2.31 mm。

圖4 頻率為1 207 MHz的不同切割面的相位方向

表1 頻率為1 207 MHz的相位中心穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果

切割面/(°)φmax/(°)φmin/(°)Δmcut /mm04.293-1.4141.9722.54.500-1.3702.0345.05.395-0.9842.2067.56.185-1.2502.5790.07.405-0.6952.80

圖5給出了測(cè)試頻率為1 602 MHz，在0°切割面、22.5°切割面、45°切割面、67.5°切割面和90°切割面的相位方向圖。表2給出了在天線主波束±50°角度范圍內(nèi)，天線相位中心穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果。由測(cè)量不同切割面天線相位中心穩(wěn)定度可獲得天線相位中心平均穩(wěn)定度≤±1.01 mm。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在不同切割面，天線相位中心及其穩(wěn)定度是不同的。

圖5 頻率為1 602 MHz不同切割面的相位方向

表2 頻率為1 602 MHz的相位中心穩(wěn)定度測(cè)量結(jié)果

切割面/(°)φmax/(°)φmin/(°)Δmcut/mm01.785-3.3071.3222.51.979-2.1841.0845.01.604-0.5210.5567.52.355-0.5910.7790.04.166-0.9551.33

4 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是通過(guò)時(shí)延測(cè)量實(shí)現(xiàn)測(cè)距的，而天線相位中心為時(shí)延測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，因此衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測(cè)量精度及其穩(wěn)定度直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。本文簡(jiǎn)述了利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量導(dǎo)航天線相位中心及其穩(wěn)定度的原理方法，提出通過(guò)測(cè)量不同切割面的相位方向圖來(lái)確定天線相位中心穩(wěn)定度的方法，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測(cè)量，特別是相位中心穩(wěn)定度測(cè)量具有重要的參考價(jià)值。