卫星导航天线相位中心精确测量分析

王兰贵，于少飞，于卫东，李 勇

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.江苏省常州外国语学校，江苏 常州 213000)

0 引言

在进行卫星导航定位和测距时，卫星导航天线相位中心的标定准确度是其测量准确度的重要因素。一般卫星导航天线在出厂时都给出了相位中心位置。天线相位中心的测量方法在不少研究中有所介绍[1-3]，但它们大多由于收发天线距离不够远、测试环境的电磁波反射不够小以及测试转台和相位中心标定装置不够精确等原因，天线相位中心的测量普遍存在精度低的问题。

影响天线相位中心测量准确度的因素主要有以下几点：① 要有符合测量条件的测试环境，这个环境要求有足够的“无限远距离”和足够小的电磁波反射；② 要有精确的测试转台、相位中心标定装置；③ 要有性能稳定的测试设备。

本文重点解决天线相位中心精确测量环境的问题，使其既要满足室内远场测量条件，又要电磁波反射足够小，还要有电平幅度和相位均匀性满足测试要求的静区。同时，对测试转台的精度、多功能性和相位中心的标定装置提出了特殊要求。

1 天线测量暗室的测量原理

为了实现卫星导航天线的精确测量，发射天线发出的电磁波应以均匀平面波的形式照射被测天线，这样就要求测试距离为无穷大，但在实际测量时，发射天线到被测天线的距离总是有限的，这样就会引起测试误差。为了保证测量数据满足测量要求，有必要规定一个最小测试距离R。根据测量准确度的要求,可规定在被测天线中心到边缘入射波应满足的相位条件，据此来确定最小测试距离，从而确定微波暗室的结构尺寸。

源天线与接收天线的空间位置示意如图1所示。

图1 源天线与接收天线的空间位置示意Fig.1 Schematic diagram of the spatial position of the source antenna and the receiving antenna

在微波暗室里测量时，发射天线发出的电波为球面波，由图1可知测试距离：

(1)

式中，R为发射天线到接收天线之间的距离；D为接收天线最大有效尺寸；Δ为从O点发出的电磁波到达接收天线中心与到达天线边缘的路程差。

式(1)展开后：

忽略高阶量Δ2,则：

(2)

以上计算未考虑发射天线的有效尺寸。在考虑发射天线有效尺寸的情况下，式(2)变为：

(3)

式中，d为发射天线最大有效尺寸。

当D≪d(或d≫D)时，采用式(2)即可；但当D与d相当时，必须同时考虑2个天线的有效尺寸。

根据计算出的最小测量距离R值，以及环境干扰情况、吸波材料性能等一些条件就可设计出所需要的微波暗室[4-11]。

2 导航暗室设计特点和计算方法

目前，卫星导航测距准确度可达毫米级，包括天线相位中心的标定精度和载波相位的精确测定。以在微波暗室中精确测量卫星导航接收天线的相位中心为例计算微波暗室的结构尺寸。

假定天线相位中心标定准确度为2 mm，北斗使用频率B3=1 340.13 MHz，λ=c/f=0.223 m=223 mm，2 mm偏差折算为相位差：

要保证此精确度，则式(3)中的Δ应小于λ/110，式(3)变为：

(4)

设D=d=0.3 m,R=14×(0.3+0.3)2/0.223≈22.6 m,根据暗室结构图2可知：

暗室长度：R暗室=R+5 m+2 m=29.6 m，设计值：R暗室=30 m。

图2 暗室结构Fig.2 Structure of darkroom

吸波材料的吸波性能与电波入射角有密切关系，垂直入射时最好，吸波性能目前可达40 dB；斜射时性能降低，在45°入射时性能降低6 dB左右；入射角度大于45°后吸收性能恶化程度迅速增加。为了保证暗室的整体性能，保证发射波入射到四周墙壁并反射到被测天线时的入射角不大于60°，对暗室的长、宽、高要统筹考虑。

根据公式计算和设计经验，结构尺寸一般设计为30 m×20 m×16 m。新建设的暗室应尽可能保证测试精度要求。如果是旧建筑改造成暗室，其结构尺寸可做适当调整，但不能偏差太多，以免影响测量准确度。

一般所说的天线远场测量条件：

(5)

其实就是令式(2)中的Δ为λ/16 而得出。用式(5)算出的发射天线到被测天线的距离是满足远场测量条件的最小距离，而且发射波到达被测天线几何中心和边缘的相位差为22.5°。显然这一距离对于一般工程测量来说是可以的，但对于一些高精度天线，尤其是卫星导航天线相位中心的测量还是远远不够的。

用于卫星导航天线相位中心测量的微波暗室在满足一般天线测试暗室要求的基础上，用测量准确度要求来精准设计测量距离，以便使发射电磁波到达被测天线几何中心和边缘的相位差满足测量准确度的要求。

该种用途的微波暗室的主要特点是：

① 有足够长的测量距离。主要是为了满足发射电磁波到达被测天线中心和边缘的相位差要求。

② 对测量转台的要求。卫星导航天线相位中心测量转台除要求具有水平旋转轴、俯仰旋转轴外，还要求具有X,Y,Z三坐标移动装置。对其转轴定位准确度和X,Y,Z三个坐标方向移动准确度都有特定的要求。

③ 电磁屏蔽要求。

④ 暗室可以分级。不是所有暗室都必须达到这一要求，国家级检测中心和特定需要精确标定相位中心的实验室要按照一级要求，严格设计、施工和标定。一般用途实验室或工厂可根据自身的需要自行设计，以节约成本。

3 测量结果分析

为了精准测量北斗导航天线相位中心及其幅度性能，设计的某一微波暗室尺寸为：30 m×20 m×16 m，测试静区 0.3 m×0.3 m×0.3 m。收发距离22 mm时的主要性能指标如表1所示。

表1 静区主要性能指标要求

微波暗室静区性能测试[12-16]比较复杂，工作量较大。本文仅以静区中心沿发射波X轴方向的性能为例来介绍。表2给出了频率f=2 GHz时，某卫星导航天线相位中心精确测量结果。图3给出了频率f=2 GHz时所测的静区中心位置X轴方向的相位均匀性和电平均匀性曲线。从测量结果可以看出，相位中心相位均匀性小于±0.8°，电平均匀性小于±0.5 dB,优于传统测量方法。

表2 天线相位中心测量结果

(a) 相位均匀性

导航暗室的实景如图4所示。

图4 导航暗室实景Fig.4 Photo of a microwave darkroom for satellite navigation antenna

4 结束语

在高精度的卫星导航测量中，导航天线相位中心准确度是不容忽视的重要因素。天线相位中心的测量和标定准确度直接影响卫星导航定位和测距的准确度。微波暗室是保障卫星导航天线相位中心准确测量的基本条件，不但能够保证全天候的稳定测量，还能实现量值复现，满足不同测量认证的需要。

影响卫星导航天线相位中心测量和标定精度的因素是多方面的。本文提出了利用微波暗室进行卫星导航天线相位中心测量的思路和方法。实践证明,该设计思路及计算方法是有效、正确的。这一设计思路是多年测量经验的总结和归纳，同时也为读者在建造同样用途的微波暗室时提供了参考。