北斗導(dǎo)航接收機(jī)綜合測試微波暗室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

蔡金珠

（中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊 050081）

引言

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的深入，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的品種越來越豐富。迫切需要建設(shè)綜合的高精度北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)測量多用微波暗室，以滿足對產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)的工作需要。提供了一種適應(yīng)多型號衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)天線相位中心精確測量，接收綜合指標(biāo)測試、抗干擾試驗(yàn)的微波暗室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

1 滿足高精度天線相位中心測量的微波暗室結(jié)構(gòu)尺寸估算

為了提高大地測量型衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的測量精度，就需要確定該型號接收機(jī)的接收天線的相位中心的位置是否與接收天線的幾何中心重合[1]。因?yàn)榇蟮販y量型接收機(jī)在實(shí)際測量時測量人員是以天線幾何中心為參考零點(diǎn)的，而北斗導(dǎo)航接收機(jī)實(shí)施距離測量的參考基準(zhǔn)又是以接收天線相位中心為參考的，所以這兩個中心必須重合一致才能滿足測量精度的要求。

測量接收機(jī)接收的北斗衛(wèi)星信號來自距地球2萬公里的中軌跡衛(wèi)星。從這些中軌衛(wèi)星發(fā)來的電磁波非常接近平面波。這就要求測試環(huán)境滿足平面波的要求。因此微波暗室的尺寸就要足夠大，但是微波暗室尺寸越大建造成本也就越高，所以需要在保證測量精度的情況下盡可能小。

如圖1所示，AB是被測接收機(jī)的接收天線，O是天線的幾何中心，A是天線的最外邊，AB的長度等于天線半徑。O是發(fā)射天線所在位置，OB的長等于R。OA的長較OB為長，還多出一段路程△。通過對△的控制就可以控制測量精度。

圖1 結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

由圖可得：

式中：

R—發(fā)射天線到接收天線之間的距離；

D—接收天線最大有效尺；

△—從O點(diǎn)發(fā)出的電波到達(dá)接收天線中心B與到達(dá)天線邊緣A的路程差。

化簡得：

忽略高階量2Δ則：

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

式中：

d—發(fā)射天線最大有效尺寸。

由于路程差△引起的相位差為：

將其代入式（3）得：

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航大地測量型接收機(jī)相對定位測量精度可達(dá)毫米級（5 mm），這包括接收天線相位中心偏差的精度和載波相位的精確測定。要求天線相位中心與天線幾何中心的偏差不大于2 mm，而北斗B3頻率為1 340.13 MHz，2 mm偏差折算為相位差最大為：

要保證此精確度則式（4）則R最小為：

取D=d=0.32 m，λ=0.2 m，代入式（5）得：R=29.12 m。

2 抗干擾能力測試微波暗室結(jié)構(gòu)尺寸估算

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的接收機(jī)處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，必須具有極強(qiáng)的抗干擾能力，為此微波暗室設(shè)置了多波束收發(fā)天線來驗(yàn)證接收機(jī)的抗干擾能力。多波束天線與導(dǎo)航接收機(jī)之間的距離要在保持測量準(zhǔn)確度的情況下也應(yīng)滿足近似的遠(yuǎn)場條件，但是對遠(yuǎn)場條件的要求比對相位中心測量要求低，這種情況下由于路程差引起的相位誤差可以降低到7.20，將此值代入式（4）得：

仍按上述值估算，得R=12.8 m。

3 綜合測試微波暗室結(jié)構(gòu)尺寸估算

這樣相位中心測量的微波暗室和適宜抗干擾驗(yàn)證的微波暗室的最小尺寸估算完畢，但是僅僅依靠這兩個數(shù)據(jù)還不能確定微波暗室的實(shí)際尺寸，還必須考慮發(fā)射與接收天線與主反射墻壁的距離，以滿足反射電平足夠小的要求，而且還要考慮分別建設(shè)兩個滿足需求的微波暗室的建造成本問題。

先考慮第二個問題。將兩個微波暗室垂直設(shè)計(jì)。抗干擾微波暗室收發(fā)天線以南北方向布置，而相位測量微波暗室收發(fā)天線以東西方向布置。由于相位測量微波暗室長度較抗干擾微波暗室長的多，所以要再抗干擾微波暗室的墻壁上開一個洞，以便讓相位測量的發(fā)射信號穿過這個洞到達(dá)接收機(jī)。這樣一來抗干擾試驗(yàn)的發(fā)射信號也必然從洞中穿過進(jìn)入相位測量暗室。但是我們可以通過設(shè)計(jì)以及鋪設(shè)吸波材料來大幅降低抗干擾信號到達(dá)相位測量接收機(jī)的信號電平。

再來考慮第一個問題。吸波材料的吸波性能與電波入射角有密切關(guān)系，垂直入射時最好，目前可達(dá)40 dB，斜射時性能降低，在45 °入射時性能降低6 dB左右，入射角度大于45 °后吸收性能變壞的速度迅速增加。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天線時的入射角不大于60 °，對暗室的長、寬、高要統(tǒng)籌考慮。

微波暗室結(jié)構(gòu)示意圖見圖2所示。JKRS所圍成的暗室作為抗干擾微波暗室，JKLI所圍成的暗室作為相位中心測量微波暗室，SRLI所圍成的微波暗室用來測試接收機(jī)的其他性能指標(biāo)。XY為抗干擾發(fā)射天線，WZ為被測接收機(jī)天線。AE為相位測量發(fā)射天線，F(xiàn)B為被測接收機(jī)天線。

圖2 微波暗室結(jié)構(gòu)示意圖

抗干擾驗(yàn)證微波暗室靜區(qū)設(shè)計(jì)為 3 m×3 m×3 m的圓柱體，離主反射墻5 m，離地面4 m，位于暗室寬度JS的中心位置。發(fā)射天線距離墻面2 m。

這樣JKRS所圍成的暗室南北長度為：

設(shè)計(jì)值為20×15×12（m）。

相位中心測量暗室靜區(qū)設(shè)計(jì)為3 m× 3 m×3 m的圓柱體，離主反射墻7 m，離地面4 m，位于暗室寬度LI的中心位置。發(fā)射天線距離墻面3 m。

這樣JKRS所圍成的暗室東西長度為：

設(shè)計(jì)值為所圍成的暗室南北長度為：

設(shè)計(jì)值為為：40 m×25 m×16 m。

其他電性能指標(biāo)測試微波暗室SRLI的設(shè)計(jì)尺寸為：30 m×25 m×14 m。

最后綜合考慮，暗室結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)為：

總長JI=40 m，寬度JK=25 m，高度為16 m。內(nèi)部尺寸JS=15 m。

洞口尺寸為4 m的正方形，正中心距地面6.5 m。

這樣設(shè)計(jì)建造的微波暗室可以滿足各種型號的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的測試驗(yàn)證需求。

4 結(jié)束語

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)種類繁多，要對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行控制必須有適宜的測試環(huán)境，微波暗室的建造就顯得十分必要。如何既能滿足測試需要又要降低建造成本，本文提供的方法就是一個很好的例證。某單位已經(jīng)根據(jù)此方法建造了這樣一個微波暗室，在科研生產(chǎn)質(zhì)量控制中發(fā)揮了重要作用。