抛物面天线接收时延抖动分析和对策

黄旭峰

（北京卫星导航中心，北京100094）

0 引言

抛物面天线是卫星导航地面站的重要组成部分，负责完成卫星与地面站时间同步上行信号发射和下行信号接收，是伪距测量重要设备，因此要求抛物面天线工作时自身的时延相对稳定[1－4]。通过抛物面天线在执行跟踪卫星信号时的全链路设备时延分析，对抛物面天线接收时延可能产生抖动的相关设备进行了诊断排查，最终找出了容易引起时延抖动的器件，并提出了改进措施。

1 天线接收时延抖动诊断

卫星导航地面站抛物面天线主要任务之一是接收和监测卫星下行信号，在抛物面天线运动跟踪观测卫星信号中，其设备时延应是稳定常量。某次试验中，利用抛物面天线跟踪卫星信号时，发现接收信号时延有近0.6ns的抖动，无规律性，具体表现为有跳台阶和时延突跳，如图1所示。该问题会影响到地面设备后端接收设备对卫星伪距的精确测量，因此有必要分析卫星下行信号时延抖动的原因。

图1 天线运动时接收时延抖动现象

整个抛物面天线接收链路包括多个设备，根据其结构组成，针对可能导致接收信号时延抖动问题的原因列出了故障诊断树，如图2所示。根据可能产生故障的各个环节，采用逐级分离的方法进行了排查。首先对抛物面天线外的其他设备进行了数据核查，经检查当日同一位置多台监测接收机所接收卫星信号，未见伪距观测值有相同抖动，观测结果均稳定，因此X11故障可排除，不是由于卫星或传输路径上造成的时延抖动。因此故障可能由包含抛物面天线在内的地面设备引起。

图2 天线接收时延抖动诊断树

为确认是否是抛物面天线后端的测距设备引起的接收时延抖动，对包含测距设备的整套抛物面天线进行了接收GEO定点卫星信号测试，其原理框图如图3所示。测试过程中天线保持静止状态，跟踪GEO定点卫星的时延稳定度测试结果如图4所示。可见天线系统接收时延值未见异常变化，因此X21测距设备引起的时延抖动可排除，而天线系统只有在运动状态下设备时延存在不稳定现象。

图3 接收链路时延稳定度测试原理图

图4 天线静止时接收时延测试结果

抛物面天线接收支路有众多设备组成，空间经主反射面到副反射面，在从副反射面发射依次进入天线喇叭、馈源网络、耦合器、滤波器、低噪声放大器和馈线，为了准确诊断出是馈源网络设备造成的时延抖动，还是后端馈线段造成的时延抖动，可以将测试点放置在天线上，将矢量网络分析仪放置在天线方位平台上，一端连接馈源网络的耦合器将测试信号输入馈源网络，另一端连接场放后端，这样就构成了可以测量时延稳定度的回路，如图5所示[5，6]。经过连续12h测试后时延测试结果如图6所示。

图5 馈源网络时延稳定度测试框图

图6 馈源网络时延稳定度测试结果

由图6可见馈源网路到场放之间的整个链路工作正常，不存在时延抖动的问题。因此可以排除X31馈源网络和场放引起的时延抖动。使用矢量网络分析仪对场放后端含有旋转关节的馈线段进行了测试，其结果如图7所示。可见接收时延变化约为0.5ns，由此可以断定系统时延抖动是由X32即包含有旋转关节的馈线部分造成的。

图7 馈线段时延稳定度测试结果

2 时延抖动原因分析

抛物面天线接收链路馈线段指的是从天线中心体内的场放输出端到发射机房信道机柜输入端，整个馈线段包含有方位关节、俯仰关节和各段连接线缆。为了保障天线转动跟踪目标时，信号能够不中断连续传输，因此引入了旋转关节和线缆卷绕装置。

旋转关节主要包括有内导体刨开式圆环同轴关节、同轴线非接触式关节、电容耦合式同轴关节和绕柱式同轴关节，虽然它们的设计方案各有不同，但均通过设置微波扼流耦合槽实现连续传输[7，8]。旋转关节结构如图8所示，为了使关节能够转动，就必须把旋转关节定环与动环（内导体）在物理结构上切断，但同时需要保持电气接触良好，因此在切缝处设置扼流槽这一结构来实现电信号连续传输功能。

图8 旋转关节结构示意图

在同轴传输线中引入的耦合间隙对主传输线的影响可以用传输线理论进行分析。由于主传输线的电流被间隙隔断，将在间隙上受高频能量激励，当间隙比波长小很多时，在间隙输入端相当于串联一个阻抗。从主传输线隔断点向耦合间隙看去的输入阻抗等于主同轴线的特性阻抗加上耦合间隙的串联阻抗。如果串联阻抗等于零，则从主传输线隔断点向耦合间隙看去的输入阻抗就等于主同轴线的特性阻抗，此时相当于一个普通的同轴传输线。因此要使扼流槽引入的反射最小，耦合间隙应尽量小，以使串联阻抗尽量小。但同时也必须考虑功率容量的问题，耦合间隙的尺寸必须在反射最小和最大功率容量间进行折衷选取。这样就能保证在关节在旋转时，而电信号稳定连续传播。

不同旋转关节在动环与定环间耦合设计不同，但均是依靠扼流槽信号耦合方式完成旋转关节动环与定环间的信号连续传输。耦合式旋转关节采用内外两层同轴线嵌套的形式，在内外导体的圆周方向均匀分布若干个耦合点，对同轴线进行激励，耦合信号用功率合成器合成一路。从设计原理上内外两层同轴线嵌套结构在旋转时其耦合信号应该是稳定连续的，但关节的机械加工精度，内部印制电路板加工及装配的精度，内外导体装配同心度，均会影响其时延的稳定性[9，10]。典型的耦合式旋转关节在转动时的时延特性如图9所示。

图9 传统耦合式旋转关节时延特性图

耦合式旋转关节在转动时其时延特性很不稳定，馈线上任何微小的震动也会引起天线时延的跳动，而在天线转动时微小的震动是不可避免的，因此既要保证旋转关节转动时的时延稳定特性，又要控制馈线因受力不均匀造成的抖动。

3 天线时延抖动解决策略

针对以上问题，对抛物面天线整个接收信号流程进行了梳理，并采取了相应的纠正措施:

①在原来耦合式旋转关节动环与定环间屏蔽了原有耦合探针式信号传输路径，而是采用机械柔软稳相电缆直接连接非接触式耦合关节动环与定环。选用宽温机械柔软稳相电缆，由电缆组件制作专业厂家制成具有金属防护外套和N型连接器的电缆组件，每个电缆组件代替一路关节。电缆组件两端的N型连接器与非接触式耦合关节动环电缆连接器连接并用热塑管封装，电缆组件与伺服控制电缆捆绑在一起与其联动，构成射频信号传输通道。旋转关节替代改进后的情况如图10所示。

图10 改进后的线缆式旋转关节示意图

②改进了耦合式关节动环与定环间连接线缆随卷绕装置转动方式，从而达到当天线转动时稳相电缆依附着卷绕钢缆转动，避免了转动力直接作用到稳相电缆，从而导致的时延抖动。

③对天线中所有信号传输电缆采用稳定可靠的固定绑扎，从而避免天线转动时，因线缆无规律晃动引起的不规则受力从而导致的时延抖动。

④天线中设备连线尽量使用长线缆，减少转接头的使用。转接头需要有锁定装置，防止因天线转动导致接头松动时引起的时延抖动。

4 测试试验

采用矢量网络分析仪对经过卷绕装置更新和旋转关节改造后的天线时延自环变化量进行了测试。旋转关节时延特性测试需要使用辅助电缆等建立测试环境，如图11所示。为构成测试回路，需要将一路接收通道用于上行发射标校信号，另外需引入测试辅助电缆连接接收俯仰关节与接收方位关节。其测试信号流程为:矢网发端口→标校方位关节→标校俯仰关节→接收俯仰关节→接收方位关节→矢网收端口。这种测试回路中所有测试线缆均保持固定，可以避免测试中电缆晃动造成的时延抖动，提高测试精度。

图11 天线接收链路时延特性测试图

测试频点选择通用导航L频段，使用矢量网络分析仪作为测试工具。天线方位和俯仰同时保持匀速转动，矢网每秒记录一次回路时延变化值，连续记录直到天线方位旋转360°，俯仰转动90°为止，测试结果如图12所示。可见天线接收链路时延特性非常平坦，时延变化范围在0.05ns以内，相对于改造前的天线有了比较明显的改善，非常适合于对时延稳定性有较高要求的导航系统。

图12 接收频点信号稳定度测试

5 结束语

采用分段排查和比对排查的方法，检查出抛物面天线馈线段的旋转关节是导致抛物面天线接收时延抖动的主要原因，馈线段线缆的固定安装以及随卷绕装置是否受力也会影响抛物面天线运动状态下的时延特性，因此应用于导航系统的抛物面天线需要特别注意天线旋转关节以及馈线随卷绕装置转动时的时延特性。

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