整星状态下复杂卫星多天线组合测试

陈随斌，任红宇，章泉源

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

0 引言

随着卫星功能的增多和集成度的提高，星体结构变得越来越复杂，星载天线工作环境也越来越恶劣，其装星后的性能倍受卫星总体和星载天线研究者的关注，解惑的最佳方式是进行整星天线辐射特性测试。

确定星载天线安装位置时，根据天线的视场角和星体表面安装设备状态配合总体布局设计师给出初步布局，再进行整星天线辐射特性仿真分析，依据仿真结果和表面安装设备的重要程度作局部调整，最终给出正式布局状态。随着电磁场数值分析技术发展，对带电大尺寸载体的天线辐射特性仿真成为可能，但整星天线辐射特性测试仍有其必要性。首先，卫星一般装有多种不同的天线，由多家机构研制，而天线的性能指标是在整星状态下考核的，部分指标（如天线间隔离度）无法在单机状态下测试获得，为满足卫星总体要求须进行整星天线辐射特性测试。其次，为考察星体和星体外表面其他凸出物对天线辐射特性的影响程度，验证天线的布局设计合理性、整星天线辐射特性仿真结果与实测结果的符合性，考核卫星总体对天线（分系统）的性能要求是否满足，为整星使用提供依据，也需要进行整星天线辐射特性测试。第三，建立整星天线辐射特性仿真模型时，星体、天线和周围安装的设备均为理想模型，而实际装星天线产品与理想天线模型存在差异，同时仿真中对周围设备所用复合材料和复杂结构会作等效和简化处理。因同一结构对不同波长的电磁波的简化模型并不相同，天线辐射特性与天线结构形式和尺寸及边界条件有关，不同切面和周向辐射幅度的不均匀性各异，对天线辐射增益方向图仿真结果影响较小，但对与相位有关的轴比、干涉区的影响却较大，仿真只能对存在的干涉和遮挡等进行预估，不能准确反映天线的真实性能，不可替代整星天线辐射特性测试。第四，天线承制机构是以天线单机研制为主，考虑研制成本，无法由每个单位制作一个模拟星体对其研制的天线进行测试，且各研制机构的测试场地性能、测试设备自动化程度和测试精度存在差异，特别是当天线某个性能指标为临界值时，可能因这些差异引起争议。因此，用同一星体模型、测试场地、测试设备进行测试和统一数据处理方法可消除此隐患，形成完整的天线（分系统）辐射特性测试结果，技术状态统一。随着天线多频点采样测试技术的发展，天线测试设备的自动化和测试场地的完备，天线测试效率明显提高，整星天线辐射特性所用时间已由过去40多天压缩到现在的20d左右。为此，本文对复杂卫星天线组合状态下的整星状态的辐射特性测试进行了研究。

1 测试条件

整星天线辐射特性测试属于大型试验，正常情况下不再进行第二次测试。为确保天线性能的测试结果真实有效和在轨可用，整星天线辐射特性测试应具备的条件是：整星设备布局设计完成并通过评审，参试天线产品完成各项环境试验，具备交付条件，承担卫星天线（分系统）辐射特性测试单位已完成全尺寸模拟星体和测试工装的设计与加工，根据待测天线频段和星体尺寸选定测试场地，整星辐射特性测试大纲和细则通过评审。因此，整星天线辐射特性测试最佳时机是选择在卫星初样研制阶段的后期。

1.1 测试切面选取

为保证测控通信／数据传输链路可用度高，通常要求星载天线波束轴向旋转对称，且周向辐射均匀，因此需测试星载天线多切面方向图进行验证。这就要求选取的切面数合理，既可全面正确地反映天线性能，又能使测试工作量、测试数据处理量和测试工装数量可接受。因卫星天线选型时考虑了波束轴向旋转对称的形式，体积小、质量轻，且整星天线辐射特性测试为验证性，故可将整星天线辐射特性测试适当前移，具体做法是：单天线测试在360方位面上，每隔15°测试一个俯仰面方向图，对幅度均匀度要求高的天线可每隔5°～10°测试一个俯仰面方向图；整星天线辐射特性测试中通常选取0°，45°，90°，135°四个主切面，适当增加有严重遮挡物方向的测试切面，并通过随机角度安装天线的办法，增加测试结果的可信度。

1.2 轴比超差引起损耗允许富余增益补偿

为线极化电磁波穿过电离层发生极化偏转及飞行器姿态变化引起的极化严重失配而接收不到信号等问题，星载天线多要求辐射圆极化电磁波。对多数中低轨道卫星，随着地面接收站天线增益和星地接收机灵敏度的提高，信号传输链路电平有富裕的余量，要求天线轴比在波束范围内小于5.2dB，且要求轴比超差引起损耗允许富余增益补偿，这可解决天线单独测试时轴比满足要求或在波束边缘轴比超差不明显，装星后受金属星体和安装天线周围环境复杂引起的轴比退化，并防止圆极化波变成线极化波。星上发射天线轴比为5.2dB是为便于信号链路电平的计算（地面接收站天线轴比为1dB时，引起的极化损失恰为0.5dB），严格来说计算过程中极化损失值应综合星载天线轴比要求值和地面站接收天线轴比确定。

2 测试关键技术

2.1 测试误差

天线电性能指标包括工作频带、波束宽度、增益、极化方式、轴比、驻波比、功率容量和天线间隔离度。这些指标相互关联，除功率容量单独考核外，其他指标均可在整星上测试。测试必然涉及误差，对宽波束、低增益、圆极化和低驻波的卫星平台天线，随着测试设备取样精度和稳定度的提高，工作频带、波束宽度、驻波比和隔离度等指标的测试误差已达可接受程度，增益和轴比的测试误差成为主要关注对象。

2.1.1 增益测试误差

增益测试误差来源多面，且与被测天线形式有关，星载天线增益测试误差主要因素如下［1］。需说明的是在增益测试过程中，引起天线增益测试误差的因素不利于天线增益，天线的实际增益高于测得的增益。

a）因测试距离有限，发射波并非完全均匀平面波。按目前国内对测试场地要求，测试区电磁波的幅度均匀性应满足优于±0.25dB，由此引起的实测增益较真实值小0.1dB［2］。

b）圆极化天线的增益方向图测试，多采用同旋向圆极化天线发射，其发射圆极化波并非纯圆极化，轴比约为2～3dB量级，相对纯圆极化必会产生附加极化失配损耗，且附加极化损失值与接收天线的轴比有关，同时由于无纯圆极化标准增益喇叭定标，通过线极化标准增益喇叭对水平和垂直两次测试值进行合成定标，存在天线轴对不准引起的误差。由此两部分引起的实测增益较真实值小0.25dB。

c）连接测试误差，主要源于转接件的连接失配和电缆移动，量级约0.1dB。

d）仪表设备读数、测试波相位不均匀、多路径干涉、信号源功率漂移、被测天线的相位中心与旋转中心不重合等引起的误差，量级约0.15dB。

一般增益测试误差要求小于0.25dB，目前该要求仅在专业测试机构中才能满足，多数工程研究机构难以实现。因此，为便利和避免繁琐分析计算，工程技术人员在增益测试时统一取误差为0.5dB较合理，且可被接受。

2.1.2 轴比测试误差

目前轴比测试较常用的方法有两种［3］。一种是以适当的速度连续不断地旋转具有线极化的发射天线，待测天线在水平面做360°扫描，接收机记录的相对电平变化轨迹即为轴比方向图。另一种是发射天线分别辐射垂直极化和水平极化波，待测天线在水平面做两次360°扫描，接收机记录两次接收到的信号幅相值，由数值计算给出不同角度的轴比值。第一种方法的测试过程简便、结果形象，其误差主要源于测试场地引起的发射波幅相不均匀、发射波非纯线极化（40dB的轴比引起的圆极化轴比测量误差为0.18dB）、数据处理的读数误差、测试设备的削峰填谷现象，误差量级约0.5dB。第二种方法的测试过程繁琐、结果直观，其误差源于测试场地引起的发射波幅相不均匀、发射波非纯线极化、数据处理中取值截留误差和读数误差，误差量级约0.3dB。

需注意的是：当轴比测试曲线上出现突然巨变的尖锐毛刺，可认为其不是天线轴比的真实值，因为辐射体上电流的连续性电磁场不会产生突变，且天线单独测试中一般无此现象。这主要是由测试过程中测试信号源的短暂不稳、转台设备的抖动、测试场受到瞬间干扰或星上其他设备在某个方向上的反射造成的干涉而引起的，只需重新测试或转动被测天线角度便可消除。

2.2 干涉

星体上安装设备的空间资源有限，结构复杂星体适合天线安装的空间更小，致使卫星天线的工作环境相当恶劣，常受星体、周围其他天线和设备影响，出现多路径效应现象，对天线的辐射方向图造成干涉，形成辐射的哑点或盲区，在地面站天线波束指向干涉区时，造成星地信号链路电平低而无法正常通信［4］。测试中出现非正常干涉时，可用以下方法解决。

a）检查所有待测天线是否连接匹配负载，特别是同频段工作的天线（如备份天线）。同频段待测天线接收到发射天线的电磁波后，如无负载吸收，反射后重新辐射，必然对被测天线方向图形成干涉。

b）检查待被测天线周围是否存在长度与辐射波成nλ／4相近的杆状金属体，因为它可能被激励，变为天线进行辐射，对被测天线形成干涉。此处：λ为波长；n为整数。

c）检查被测天线周围是否存在产生很大雷达散射截面（RCS）的物体，如与波长可比拟的金属平板、凹反射体。这些物体可在某方向形成强反射，对被测天线形成干涉。

d）绕天线轴旋转天线一定角度，利用天线周向辐射幅度的不均匀性，破坏干涉形成的条件，减轻干涉程度。

e）适当调整天线位置和高度，改变天线辐射波与干涉波的相对相位关系，缓解干涉程度［5］。

2.3 增益方向图测试曲线起伏

某卫星测控天线整星测试和仿真增益方向图如图1、2所示，两者间增益的差异源于仿真时微波网络的功分比采用理论值，未计及网络和高频电缆损耗。其中：整星测试中初样产品采用国产电缆，对地面天线连接电缆实测损耗1.5dB（3m），对天面连接电缆实测损耗2.55dB（5.5m），微波网络通道实测损耗0.4dB。

由图1可知：天线单独测试的增益方向图光滑曲线变成有小幅度起伏的曲线，似附加一无规律的小幅度调制波。最初判断是星体反射回来的波对测试场的平面波形成干涉，使来自发射源的均匀平面波幅度在待测天线区呈现为驻波，导致待测试天线接收信号出现起伏。但对仿真结果进行幅值符合性比较时，发现仿真方向图曲线也存在起伏。据此认为是来波照射在星体和附属设备上发生反射，致使天线辐射体上的电流受到干扰，这是无规律、不均匀的起伏主因，测试场的不均匀性加剧了这种起伏。因整星天线辐射特性仿真是在自由空间进行的，说明这种起伏是星体引起的固有特征。

图1 整星测控天线增益方向图测试结果Fig.1 Gain of TT＆C antenna measured on whole－spacecraft

图2 整星测控天线增益方向图仿真结果Fig.2 Gain of the TT＆C antenna simulated on whole－spacecraft

实际测试过程中，在星体与测试转台间用于架设星体的转接支架上铺设吸波材料，可减小转接架的散射波对测试场均匀性的影响。但不能在星体上铺设吸波材料，原因是须与实际应用状态保持一致。

2.4 极化形式判别

参加整星辐射特性测试的天线产品，其极化形式均由设计保证。有时受测试条件限制，承制单位在调试或交付过程中忽视验证性测试。为防止装星天线出现极化方式相反的现象，整星天线辐射特性测试必须包括极化方式判别，逐一对所有天线的极化方式作验证性判别［6］。具体方法是：将与待测天线工作频率相同、极化方式已知并相互正交的两天线依次架设于发射端，发射被测天线工作频率的信号，在规定的角度范围内分别测得被测天线接收到的信号电平，比较接收到的信号电平，高电平对应的发射天线的极化方式即为被测天线的极化方式［7］。某卫星数传天线极化方式判别的测试结果如图3所示。由图可知：极化匹配状态下被测天线接收到的信号电平明显较高，且赋形波束形状轮廓明晰、曲线起伏幅度小；极化失配状态下赋形波束形状模糊、曲线起伏幅度较大。

图3 某数传天线的极化方式判别测试结果Fig.3 Main／cross polarization patterns of a data transmission antenna

2.5 天线驻波比测试

天线性能与其结构形式、尺寸和材料、边界条件密切相关。正常情况下，结构尺寸的微小变化对天线辐射特性（增益、波束宽度、相位、极化方式和轴比）的影响不明显，但对阻抗特性（驻波比）的影响较明显。因此，在单机状态下详细测试和整星状态下考核性测试完成后，考虑到天线辐射特性测试需要专业测试场地且性能稳定可靠等因素，在交付总体之后不再测试天线的辐射特性，仅对天线驻波比分阶段进行功能性检测。

卫星研制过程中，力学和热学试验对天线结构形式、尺寸和材料的稳定性有影响。本文认为在所有星体外表面产品装星电联试前、力学振动试验前、力学振动试验后与热真空试验前、热真空试验后与整星出厂前、发射基地技术区电联试前5个节点为天线驻波比检测时机。

天线装星后，星体的架设状态（Z轴垂直地面）与整星辐射特性测试状态（Z轴平行地面）完全不同，受架设工装、电测工装和地面反射等因素的影响，上述节点上测试的天线驻波比值各不相同，这使数据的比对产生麻烦，并存在一定的误判风险。设计师需根据天线产品特点，结合测试数据曲线相对变化量才能做出正确的判断。根据经验，如天线驻波比测试结果在规定值内且相对变化量小于0.15，可认为天线正常；如天线驻波比测试结果超出规定值或相对变化量超过0.15，则需根据测试环境、驻波曲线进一步排查，甚至将天线拆下检查外观和单独测试，并与出厂测试数据比对。需强调的是，如不同状态下的测试数据相同，表明天线确实存在故障，因该现象与电磁场理论不符。

3 结束语

整星天线性能测试已成为卫星研制中重要的一环［8］。本文基于不同型号复杂卫星多天线组合测试工作，分析了测试过程中的技术和问题。研究有助于卫星总体对整星天线辐射特性测试的认识，可供从事飞行器天线研究人员参考。

［1］ VLICH B L.A radiometric antenna gain calibration method［J］.1997，AP－25（4）：432－435.

［2］ 毛乃宏，俱新德.天线测量手册［M］.北京：国防工业出版社，1987.

［3］ JOY E B，PARIS D T.A practical method for measurement the complex polarization ratio of arbitrary antennas［J］.IEEE AP，1973，21（4）：432－435.

［4］ 安旭东，李 焱，刘 政，等.LTE设备空间多径信道下天线性能研究［J］.安全与电磁兼容，2011（4）：17－21.

［5］ NEWELL A C，BAIRD R C.Accurate measurement of antenna gain and polarization at reduced distances by an extrapolation technique［J］.IEEE，1973AP－21（4）：418－431.

［6］ Jr CEAYTON L.Antenna polarization analysis by amplitude measurements［J］. Microwave Journal，1965，8：451－454.

［7］ 尹麦田.QJ 1291—87 卫星天线测试方法［S］.中华人民共和国航天工业部，1987.

［8］ 钟 鹰.天线近场与远场性能测试比较［J］.空间电子技术，2002（1）：55－64.