衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)相位中心精確測(cè)量分析

王蘭貴，于少飛，于衛(wèi)東，李 勇

(1.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；2.江蘇省常州外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，江蘇 常州 213000)

0 引言

在進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航定位和測(cè)距時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)相位中心的標(biāo)定準(zhǔn)確度是其測(cè)量準(zhǔn)確度的重要因素。一般衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)在出廠(chǎng)時(shí)都給出了相位中心位置。天線(xiàn)相位中心的測(cè)量方法在不少研究中有所介紹[1-3]，但它們大多由于收發(fā)天線(xiàn)距離不夠遠(yuǎn)、測(cè)試環(huán)境的電磁波反射不夠小以及測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)和相位中心標(biāo)定裝置不夠精確等原因，天線(xiàn)相位中心的測(cè)量普遍存在精度低的問(wèn)題。

影響天線(xiàn)相位中心測(cè)量準(zhǔn)確度的因素主要有以下幾點(diǎn)：① 要有符合測(cè)量條件的測(cè)試環(huán)境，這個(gè)環(huán)境要求有足夠的“無(wú)限遠(yuǎn)距離”和足夠小的電磁波反射；② 要有精確的測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)、相位中心標(biāo)定裝置；③ 要有性能穩(wěn)定的測(cè)試設(shè)備。

本文重點(diǎn)解決天線(xiàn)相位中心精確測(cè)量環(huán)境的問(wèn)題，使其既要滿(mǎn)足室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件，又要電磁波反射足夠小，還要有電平幅度和相位均勻性滿(mǎn)足測(cè)試要求的靜區(qū)。同時(shí)，對(duì)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的精度、多功能性和相位中心的標(biāo)定裝置提出了特殊要求。

1 天線(xiàn)測(cè)量暗室的測(cè)量原理

為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)的精確測(cè)量，發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出的電磁波應(yīng)以均勻平面波的形式照射被測(cè)天線(xiàn)，這樣就要求測(cè)試距離為無(wú)窮大，但在實(shí)際測(cè)量時(shí)，發(fā)射天線(xiàn)到被測(cè)天線(xiàn)的距離總是有限的，這樣就會(huì)引起測(cè)試誤差。為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)滿(mǎn)足測(cè)量要求，有必要規(guī)定一個(gè)最小測(cè)試距離R。根據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確度的要求,可規(guī)定在被測(cè)天線(xiàn)中心到邊緣入射波應(yīng)滿(mǎn)足的相位條件，據(jù)此來(lái)確定最小測(cè)試距離，從而確定微波暗室的結(jié)構(gòu)尺寸。

源天線(xiàn)與接收天線(xiàn)的空間位置示意如圖1所示。

圖1 源天線(xiàn)與接收天線(xiàn)的空間位置示意Fig.1 Schematic diagram of the spatial position of the source antenna and the receiving antenna

在微波暗室里測(cè)量時(shí)，發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出的電波為球面波，由圖1可知測(cè)試距離：

(1)

式中，R為發(fā)射天線(xiàn)到接收天線(xiàn)之間的距離；D為接收天線(xiàn)最大有效尺寸；Δ為從O點(diǎn)發(fā)出的電磁波到達(dá)接收天線(xiàn)中心與到達(dá)天線(xiàn)邊緣的路程差。

式(1)展開(kāi)后：

忽略高階量Δ2,則：

(2)

以上計(jì)算未考慮發(fā)射天線(xiàn)的有效尺寸。在考慮發(fā)射天線(xiàn)有效尺寸的情況下，式(2)變?yōu)椋?/p>

(3)

式中，d為發(fā)射天線(xiàn)最大有效尺寸。

當(dāng)D?d(或d?D)時(shí)，采用式(2)即可；但當(dāng)D與d相當(dāng)時(shí)，必須同時(shí)考慮2個(gè)天線(xiàn)的有效尺寸。

根據(jù)計(jì)算出的最小測(cè)量距離R值，以及環(huán)境干擾情況、吸波材料性能等一些條件就可設(shè)計(jì)出所需要的微波暗室[4-11]。

2 導(dǎo)航暗室設(shè)計(jì)特點(diǎn)和計(jì)算方法

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)距準(zhǔn)確度可達(dá)毫米級(jí)，包括天線(xiàn)相位中心的標(biāo)定精度和載波相位的精確測(cè)定。以在微波暗室中精確測(cè)量衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線(xiàn)的相位中心為例計(jì)算微波暗室的結(jié)構(gòu)尺寸。

假定天線(xiàn)相位中心標(biāo)定準(zhǔn)確度為2 mm，北斗使用頻率B3=1 340.13 MHz，λ=c/f=0.223 m=223 mm，2 mm偏差折算為相位差：

要保證此精確度，則式(3)中的Δ應(yīng)小于λ/110，式(3)變?yōu)椋?/p>

(4)

設(shè)D=d=0.3 m,R=14×(0.3+0.3)2/0.223≈22.6 m,根據(jù)暗室結(jié)構(gòu)圖2可知：

暗室長(zhǎng)度：R暗室=R+5 m+2 m=29.6 m，設(shè)計(jì)值：R暗室=30 m。

圖2 暗室結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of darkroom

吸波材料的吸波性能與電波入射角有密切關(guān)系，垂直入射時(shí)最好，吸波性能目前可達(dá)40 dB；斜射時(shí)性能降低，在45°入射時(shí)性能降低6 dB左右；入射角度大于45°后吸收性能惡化程度迅速增加。為了保證暗室的整體性能，保證發(fā)射波入射到四周墻壁并反射到被測(cè)天線(xiàn)時(shí)的入射角不大于60°，對(duì)暗室的長(zhǎng)、寬、高要統(tǒng)籌考慮。

根據(jù)公式計(jì)算和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)尺寸一般設(shè)計(jì)為30 m×20 m×16 m。新建設(shè)的暗室應(yīng)盡可能保證測(cè)試精度要求。如果是舊建筑改造成暗室，其結(jié)構(gòu)尺寸可做適當(dāng)調(diào)整，但不能偏差太多，以免影響測(cè)量準(zhǔn)確度。

一般所說(shuō)的天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件：

(5)

其實(shí)就是令式(2)中的Δ為λ/16 而得出。用式(5)算出的發(fā)射天線(xiàn)到被測(cè)天線(xiàn)的距離是滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件的最小距離，而且發(fā)射波到達(dá)被測(cè)天線(xiàn)幾何中心和邊緣的相位差為22.5°。顯然這一距離對(duì)于一般工程測(cè)量來(lái)說(shuō)是可以的，但對(duì)于一些高精度天線(xiàn)，尤其是衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)相位中心的測(cè)量還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

用于衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)相位中心測(cè)量的微波暗室在滿(mǎn)足一般天線(xiàn)測(cè)試暗室要求的基礎(chǔ)上，用測(cè)量準(zhǔn)確度要求來(lái)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)測(cè)量距離，以便使發(fā)射電磁波到達(dá)被測(cè)天線(xiàn)幾何中心和邊緣的相位差滿(mǎn)足測(cè)量準(zhǔn)確度的要求。

該種用途的微波暗室的主要特點(diǎn)是：

① 有足夠長(zhǎng)的測(cè)量距離。主要是為了滿(mǎn)足發(fā)射電磁波到達(dá)被測(cè)天線(xiàn)中心和邊緣的相位差要求。

② 對(duì)測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)的要求。衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)相位中心測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)除要求具有水平旋轉(zhuǎn)軸、俯仰旋轉(zhuǎn)軸外，還要求具有X,Y,Z三坐標(biāo)移動(dòng)裝置。對(duì)其轉(zhuǎn)軸定位準(zhǔn)確度和X,Y,Z三個(gè)坐標(biāo)方向移動(dòng)準(zhǔn)確度都有特定的要求。

③ 電磁屏蔽要求。

④ 暗室可以分級(jí)。不是所有暗室都必須達(dá)到這一要求，國(guó)家級(jí)檢測(cè)中心和特定需要精確標(biāo)定相位中心的實(shí)驗(yàn)室要按照一級(jí)要求，嚴(yán)格設(shè)計(jì)、施工和標(biāo)定。一般用途實(shí)驗(yàn)室或工廠(chǎng)可根據(jù)自身的需要自行設(shè)計(jì)，以節(jié)約成本。

3 測(cè)量結(jié)果分析

為了精準(zhǔn)測(cè)量北斗導(dǎo)航天線(xiàn)相位中心及其幅度性能，設(shè)計(jì)的某一微波暗室尺寸為：30 m×20 m×16 m，測(cè)試靜區(qū) 0.3 m×0.3 m×0.3 m。收發(fā)距離22 mm時(shí)的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 靜區(qū)主要性能指標(biāo)要求

微波暗室靜區(qū)性能測(cè)試[12-16]比較復(fù)雜，工作量較大。本文僅以靜區(qū)中心沿發(fā)射波X軸方向的性能為例來(lái)介紹。表2給出了頻率f=2 GHz時(shí)，某衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)相位中心精確測(cè)量結(jié)果。圖3給出了頻率f=2 GHz時(shí)所測(cè)的靜區(qū)中心位置X軸方向的相位均勻性和電平均勻性曲線(xiàn)。從測(cè)量結(jié)果可以看出，相位中心相位均勻性小于±0.8°，電平均勻性小于±0.5 dB,優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)量方法。

表2 天線(xiàn)相位中心測(cè)量結(jié)果

(a) 相位均勻性

導(dǎo)航暗室的實(shí)景如圖4所示。

圖4 導(dǎo)航暗室實(shí)景Fig.4 Photo of a microwave darkroom for satellite navigation antenna

4 結(jié)束語(yǔ)

在高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量中，導(dǎo)航天線(xiàn)相位中心準(zhǔn)確度是不容忽視的重要因素。天線(xiàn)相位中心的測(cè)量和標(biāo)定準(zhǔn)確度直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航定位和測(cè)距的準(zhǔn)確度。微波暗室是保障衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)相位中心準(zhǔn)確測(cè)量的基本條件，不但能夠保證全天候的穩(wěn)定測(cè)量，還能實(shí)現(xiàn)量值復(fù)現(xiàn)，滿(mǎn)足不同測(cè)量認(rèn)證的需要。

影響衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)相位中心測(cè)量和標(biāo)定精度的因素是多方面的。本文提出了利用微波暗室進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)相位中心測(cè)量的思路和方法。實(shí)踐證明,該設(shè)計(jì)思路及計(jì)算方法是有效、正確的。這一設(shè)計(jì)思路是多年測(cè)量經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和歸納，同時(shí)也為讀者在建造同樣用途的微波暗室時(shí)提供了參考。