温变条件下抛物面天线时延特性研究

温日红,冯晓超

(中国人民解放军61081部队,北京100094)

0 引言

抛物面天线是卫星导航系统完成时间同步,建立导航系统时间基准和坐标基准的基础设备,准确掌握天线时延特性是确保系统业务精度的前提条件。抛物面天线时延受到各种环境因素的影响,如环境温度变化、基础形变、风载荷影响、自身重力载荷影响以及结构件老化形变等;其中,环境温度变化是影响抛物面天线时延的主要因素之一。首先分析了GNSS抛物面抛物面天线相位中心和设备时延2项重要参数,然后根据天线基本结构分光程段、馈源段和馈线段3部分对天线时延在温度变化条件下的时延特性进行了深入的研究。

1 GNSS系统抛物面天线

在卫星导航系统(GNSS)中,地面运行控制设备通过抛物面天线完成对导航卫星星地时间同步上行信号发射和下行信号接收、伪距测量、导航电文注入和遥测遥控信息管理,完成地面主控站与各备份注入站和监测站的站间时间同步信号发射与接收、伪距测量和数据传输。抛物面天线设备时延标定的准确度和稳定度会影响系统的时间同步性能,从而影响整个导航系统提供的PNT(导航、定位和授时)业务精度。

1.1 参考相位中心

对于卫星导航系统而言,抛物面天线需选择一个基准点,此基准点可视为电磁波在空间传播和在地面设备中传播及处理的转换点,以进行星地距离的实时计算和电离层延迟计算等。

如果把喇叭馈源的物理相位中心作为基准点,由于电磁波传播的空间路径中包含了主、副反射面的反射路径时延,利用此基准点计算的星地几何距离与电磁波从卫星到此基准点的实际传播距离是不相同的,因此,将喇叭馈源物理相位中心作为天线基准点并不合适。在卫星导航系统中,通常将抛物面天线口面中心选择为电磁波空间传播时延和地面设备时延的基准分界点,而电磁波从馈源相位中心经副、主反射面再到天线口面的电磁波传播时延可视为地面设备时延的一部分。这样,利用此基准点坐标计算得到的星地距离与电磁波从卫星传播到该点的距离是一致的,通常将该基准点定义为抛物面天线的参考相位中心。参考相位中心很好的解决了抛物面天线设备时延起始基准点的问题,抛物面参考相位中心可通过天线结构进行归算标定。抛物面天线参考相位中心示意图如图1所示。

图1 抛物面天线参考相位中心示意图

1.2 天线时延

抛物面天线设备时延定义为电磁波从天线口平面传输到馈源输出口(或从馈源输入口传输到天线口平面)的信号延迟量。根据抛物面天线结构和电磁波传输机理,可以把信号在天线中的传输路径分为天线段(光程段)、馈源段和馈线段3部分,如图2所示。

图2 抛物面天线时延组成结构

天线段中,电磁波以开放场形式传播,其传播路径符合光学原理,也称光程段。光程段时延起始点从天线口面到喇叭相心,由馈源相心发出的球面波经主、副反射面反射后在主面口面处形成平面波;从馈源相心(天线焦点)到天线口面的每一条波束都是等长的,这一光程时延特性通过计算是可以得到其精确数值的。

馈源段包括了喇叭、馈源网络和滤波器等重要环节。喇叭时延是从喇叭相心到喇叭输入口;馈源网络时延是馈源网络输出口即喇叭输入口到馈源网络输入口(收发网络),主要由波纹喇叭、跟踪器和极化器等构成。电磁波在这些部件中的传输特性各不相同,而且部件内部和部件之间也会存在耦合和一定的反射,因此不能通过简单的结构计算来获得馈源的时延值,需要通过精密仪器标定测量获得时延值。

馈线段主要由旋转关节和电缆等组成。由于这部分的部件在天线运动过程中要发生相对位移。在卫星导航系统中,通常对馈线部分时延采用事先标定、在线标校及实时监控的方法取得。

2 温度变化条件下天线时延特性

抛物面天线设备时延受到各种环境因素的影响,其中工作环境的温度是影响抛物面天线时延变化的主要原因。由于天线系统每个组成部分的物理结构和电磁波传播机理不同,受温度变化影响的时延特性也会有所差异。

2.1 天线光程段时延特性

光程段时延变化主要是由于温度变化引起天线结构形变,导致抛物面天线参考相位中心基准点发生位移,引起抛物面天线的时延变化。通过利用ANSIS力学分析软件仿真分析了某工程13 m抛物面天线在俯仰角固定条件下,温度变化引起的天线相位中心基准点位移变化量。仿真结果表明,在俯仰角固定条件下,温度变化50℃时,从馈源到主面口面的光程变化小于10 mm,即0.033 3 ns。

2.2 馈源段时延特性

馈源段主要由喇叭和馈源网络组成。在温度变化条件下,每部分由于构件结构和电波传输特性等因素,其时延特性表现也不尽相同。

2.2.1 喇叭段时延特性

天线工作环境温度变化引起喇叭长度发生改变,导致喇叭时延值变化。喇叭可等效为圆波导,喇叭时延随温度的变化量可等效为圆波导时延随温度的变化量,温度变化导致喇叭长度的变化量以及相应电长度的变化量通过计算方法可以得到。在空气填充波导中电磁波传播的时延公式为:

式中,l为波导长度;c为光速;λ为信号波长。

喇叭长度随温度变化量 Δl与喇叭的材料有关。温度变化时,喇叭长度的变化公式为:

式中,ΔT为温差,喇叭通常由合金铝材加工而成,合金铝的线胀系数为a=2.3×10-5/℃。

以某工程中13 m抛物面天线为例,其喇叭长度为1 887 mm,相心距口面为800 mm,在温度变化60℃条件下,喇叭对不同频率信号的时延值统计入表1所示。

数据分析结果表明:在温度变化60℃条件下,喇叭段时延变化优于0.01 ns,在实际工程应用中,喇叭段时延可忽略不计。

2.2.2 馈源网络时延特性

由于馈源网络结构相对较为复杂,电磁波在其中传输会遇到各种反射和耦合作用。而且当温度变化时,馈源网络的结构形变很难进行定量分析计算。因此温度变化条件下,馈源网络时延特性不能采用类似于喇叭时延分析方法进行。

对馈源网络时延特性采用温变试验的方法进行试验分析。将待测馈源网络放置在温箱内,调节温箱温度,利用矢量网络分析仪实时测量不同频率馈源网络随温度变化的时延值。在试验温度变化范围为-45℃～+75℃、步进值为5℃的测试条件下,以某工程13 m抛物面天线馈源网络为例,其时延特性变化如图3所示。

试验结果表明:在-45～+75℃的温度变化范围内,滤波器是造成馈源网络时延变化幅度较大的主要因素。在工程应用中,滤波器工作环境温度的相对恒定是确保馈源网络时延稳定的前提。

图3 13 m天线馈源网络随温度变化时延特性

2.3 馈线段时延特性

抛物面天线馈线段主要由波导、射频电缆或旋转关节组成,馈线段时延受温度变化影响相对较小。经过对应用于某工程型号中的L频段13 m抛物面天线馈线段在温度变化条件下的时延特性测量结果表明:在温度变化-45～+75℃范围内,馈线段时延变化幅度不超过0.005 ns,在实际工程应用中,馈线段时延变化可忽略不计(注:试验馈线为长度约20 m的ANDREW同轴射频电缆。)。

3 结束语

根据抛物面天线时延特性,在GNSS系统抛物面天线设计时,需优化天线结构,保持滤波器工作环境温度的相对恒定,以保证滤波器时延的稳定性。同时,采用标校环路对滤波器的时延变化进行实时在线标定和监测,尽可能降低滤波器时延变化的影响。

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