YH-1火星探测器射频波导测试技术

李金岳，曹志宇，李春晖，陈昌亚

（1.上海卫星工程研究所，上海 200240；2.上海航天电子技术研究所，上海 201109）

0 引言

YH-1探测器是我国首颗火星探测器，为适应深空远距离无线通信的要求，探测器采用高增益射频天线和大功率射频输出方案，射频无线测试必须在微波暗室中进行，在卫星厂房只能进行射频有线测试，防止电磁辐射对人体伤害。航天器射频测试包括有线和无线两种［1］。有线射频测试中，航天器的接收机和发射机连接高频电缆到地面测试设备的射频测试，该方法的缺点有测试不完整（不包括天线部分）、高频接插件需多次插拔降低可靠性等。无线射频测试中，航天器的天线与地面天线进行无线连接测试。对深空航天器来说，因无线电磁波辐射的能量巨大，测试与操作人员不可在附近工作，需在专门的电磁波屏蔽厂房（EMC厂房）进行测试，航天器需转场重新布线，工作量大。采用天线波导转换技术，将深空航天器天线主要通过波导转换装置连接地面测试设备进行射频测试，可简化深空航天器射频测试方法，减少无线信号辐射对人体伤害，满足深空航天器射频测试要求，提高航天器射频测试的完整性和安全性。为此，本文对YH-1火星探测器的一种射频波导测试技术进行了研究。

1 天线波导装置设计

1.1 发射天线波导

YH-1火星探测器的发射天线采用圆波导喇叭方案，天线输入端口功率10W。为实现对天线的波同转换，考虑设计一段与喇叭尺寸匹配的波导与发射天线完全吻合，只保留中间圆波导部分。该装置将天线在空间辐射的电磁波转为在波导传输线中射频信号，在波导末端接同轴波导转换，可实现将无线射频信号转为有线射频信号的功能。

为加工一个与发射天线喇叭吻合的圆波导，即圆波导内部尺寸与发射天线圆波导的相同，天线喇叭口面与波导装置的圆波导口面吻合，外部形状与发射天线喇叭部分相同。在天线喇叭口部位加两个介质紧固件，将波导装置安装在发射天线上，并用螺钉固定发射天线测试波导装置。测试时只需将地面电缆连接到测试波导装置后端的高频插座，如图1所示。

图1 发射天线与波导装置连接Fig.1 Tansmit antenna and waveguide device connection

1.2 接收天线波导设计

YH-1火星探测器的接收天线设计不同于发射天线，接收天线射频波导装置设计无法按发射天线波导装置的方法。因接收天线的接收机灵敏度很高，需通过地面天线发射弱电磁信号，供接收天线射频测试。为防止波导装置对接收天线结构的影响以及射频信号泄漏交叉耦合的影响，加工一小型屏蔽腔，在屏蔽腔四壁粘吸波材料，将接收天线包在其中进行射频测试。

屏蔽腔主体部分为桶状的金属腔，直径300mm，在腔体内粘接吸波材料。吸波材料选用一种超薄型胶片类吸波材料。单层壁厚约2.3mm，在频率7～9GHz范围内反射损耗小于25dB。在腔体底部一侧连接地面测试电缆，如图2所示。

2 天线波导测试技术

2.1 测试方法

图2 接收天线与波导装置连接Fig.2 Recevie antenna and waveguide device connection

根据天线结构的特点，研制屏蔽腔和波导转换装置组成天线波导转换器，屏蔽腔与天线紧密连接，防止电磁波在缝隙中泄漏，屏蔽腔内壁有吸波材料，降低反馈损耗。天线加天线波导转换器后，端口驻波比应不大于1.5。天线波导转换装置如图3所示。

图3 波导转换器Fig.3 Waveguide converter

2.2 测试步骤

接收天线波导射频测试步骤如下。

步骤1：用纸胶带保护天线外表面需与波导转换器和屏蔽腔连接的部位。

步骤2：在接收天线上安装固定夹，固定夹用锁紧螺钉固定，安装时需注意两固定夹螺纹匹配良好。

步骤3：用螺纹将接收天线屏蔽腔直接与接收天线固定夹连接固定。

步骤4：屏蔽腔连接稳定后，用网络分析仪测试接收天线端口驻波比和接收天线与屏蔽腔连接后的传输损耗，测试连接如图4所示。

步骤5：驻波比与传输损耗测试完成后，拆除测试电缆。用卫星用高频电缆连接固定指令接收机与接收天线，屏蔽腔与地面测试电缆连接，后面连接地面测试设备。

步骤6：地面发射机开机工作，采用在发射机与屏蔽腔间加电缆及衰减器的方式，实现屏蔽腔输入口信号强度约－110dBmW的要求。接收机开机工作测试，接收地面上行指令数据，同时测试屏蔽腔外围空间的电磁泄漏强度。

图4 天线波导性能测试Fig.4 Test system for antenna waveguide performance

图5 天线和天线波导装置Fig.5 Antenna and antenna waveguide device

发射天线射频波导测试步骤与接收天线类似。

2.3 测试结果

在进行YH-1火星探测器射频测试前，分别在探测器低增益发射天线、低增益接收天线的波导转换装置对性能指标进行测试，结果见表1～3。

表1 低增益发射波导测试数据Tab.1 Low gain transmit waveguide test data

表2 低增益接收波导测试数据Tab.2 Low gain receive waveguide test data

表3 天线安装波导转换器后测试数据Tab.3 Test data after antenna install waveguide converter

波导转换器正样件装星测试结果表明：正样波导器转换性能符合设计要求，信号传输功能正常，并满足了探测器全系统、全功率射频测试。

3 电场辐射强度分析

为检测天线波导传换后的电磁辐射，用频谱仪分别对YH-1火星探测器的接收和发射频段进行了电场检测。

3.1 检测方法

测试工具为Agilent E4440A频谱仪、3m的射频电缆、增益约3dB的X波段接收天线。频谱仪通过转换头接3m的射频电缆在连接地面的接收天线。指标说明如下。

a）频谱仪显示功率强度与输入信号的功率强度关系：3m长的电缆加转接头的衰减约－3dB，地面接收天线增益约3dB，故输入信号的强度等于频谱仪显示功率的强度。

b）测试设备的测量精度：Agilent E4440A频谱仪的测试精度±0.24dB，3m长的电缆加地面接收天线精度±1dB，故整个测试设备测试精度±1.3dB。

3.2 检测步骤

测试设备连接如图6所示。

电磁屏蔽测试设备置于YH-1火星探测器侧旁，地面接收天线分别放置于探测器的发射天线下方和接收机下方1m处。

屏蔽测试设备先开机，设置频谱仪扫描Span为1MHz，VBW为100Hz，频点分别设置为接收机频点和发射机频点，频谱仪一直进行扫频接收。YH-1火星探测器按电测细则进行测试，在接收机和发射机工作过程中记录频谱图像。

图6 测试设备连接Fig.6 Connection for testing device

3.3 检测结果

3.3.1 接收机天线波导

星上指令接收机开，地面发射机发射数据经地面电缆给波同转换器到YH-1火星探测器的接收天线。频谱仪未测到YH-1地面发射机的电磁辐射强度，因此接收天线处的电磁泄露非常小，已淹没在背景噪声中。以下将不分析接收天线波导的电磁屏蔽性能。

3.3.2 发射机天线波导

按测试细则，YH-1火星探测器发射机开机数十秒，发射单频点、双频点、三频点和数传模式，经低增益发射天线、波导转换器给地面射频电缆到地面接收机。频谱仪接收到YH-1火星探测器X发射机发射的单频点在空间的辐射功率强度为最大约－40dBmW。双频点、三频点和数传信号均小于单频点信号，本文不再论述。

3.4 强度分析

分析YN-1火星探测器的X发射机屏蔽测试数据，频谱仪测试到功率值转换成电场强度值。电场强度与功率间的转换公式为

式中：Zohm为空气波阻抗（377Ω）；P为功率；E为电场强度。则

可近似得出电场强度值，－40dBmW约为－44dBV／m，即约0.006 3V／m。因此，X发射机在空间1m处的电场辐射强度0.006 3V／m。

测试数据－40dBmW＝0.006 3V／m远小于国标要求的13.73V／m＝50μW／cm2，X发射机在1m处的屏蔽测试数据符合国标的要求。

4 结束语

本文对YH-1火星探测器的一种射频波导测试技术进行了研究。波导转换器将天线发送的电磁波转换为波导腔内传输，无线辐射转换为有线形式传输，避免了微波辐射泄漏，符合GB 12638—90《微波和超短波通信设备辐射安全要求》对人体防护的规定值上限。因此，可在无微波屏蔽暗室条件下进行整器全系统、全功率射频测试。用天线波导转换器进行射频无线测试，满足深空航天器射频测试要求，提高航天器射频测试的完整性和安全性，为我国航天器无线射频测试和有线射频测试提供了一种新方法。

［1］ 裴斗生，邝振勋.卫星通信分系统的测试与标准化［J］.航天标准化，2003（3）：28-30.