衛星導航轉臺天線旋轉關節時延特性分析①

王 宇,黃旭峰

(北京環球信息應用開發中心,北京100094)

0 引 言

轉臺式拋物面天線是衛星導航系統完成星地時間同步、建立衛星導航系統時間基準的基礎設備,天線時延特性會影響導航系統提供服務的精度。旋轉關節是轉臺式拋物面天線的關鍵部件,且旋轉關節是隨天線轉動時延值易發生變化的結構件,有必要研究并掌握旋轉關節的時延特性,確保導航系統提供服務的精度。

旋轉關節是轉臺天線系統中保證射頻信號連續的裝置[1],它是各類轉臺天線饋線段的一個關鍵性微波器件[2]。根據旋轉關節動環和定環[3]的接觸方式可分為非接觸式和接觸式,對于滿足使用需要的限動天線(如方位可在-320°～320°之間旋轉),為改善其時延特性,使用電纜替代旋轉關節,可稱為電纜替代式限動旋轉關節。

1 旋轉關節時延特性分析

1.1 非接觸式旋轉關節

非接觸式旋轉關節主要包括有內導體刨開式圓環同軸關節、同軸線非接觸式關節、電容耦合式同軸關節、繞柱式同軸關節[4],雖然它們的設計方案各有不同,但均通過設置微波扼流耦合槽實現信號連續傳輸。非接觸動式旋轉關節的動環信號傳輸口可以靈活設置在內壁上,方便進行多路旋轉關節的疊加[5],可滿足天線系統對多路信號的需求。非接觸式旋轉關節采用內外兩層同軸線嵌套結構,內外導體機械加工精度不高及其裝配同心度差,均會造成動環激勵探針相對定環微波扼流耦合槽位置的變化,從而影響其時延的穩定性。

1.2 接觸式旋轉關節

接觸式旋轉關節,其動環與定環之間通過觸點滑動連接保持信號的連續傳輸。根據動環與定環間觸點連接方式不同還可細分為觸點滑環電刷式關節、同軸線直接接觸式關節[4],接觸式旋轉關節要求動環與定環間的縫隙盡可能小,必須有良好的電接觸,使接觸損耗降低,減少電磁能量在接觸處的反射而引起能量損失。這類旋轉關節因為動環與定環間有滑動摩擦所以旋轉關節的轉速不能太高,并且滑動摩擦會產生磨損,使電性能可靠性下降。由于其電信號傳輸方式不是靠耦合傳遞而是直接物理接觸,所以這類旋轉關節信號傳輸帶寬非常容易達到寬頻帶的要求。接觸式旋轉關節調試簡單,只要保證關節部件結構加工精度,設計出合理的旋轉關節動環、定環觸點類型,就可保證旋轉關節的時延穩定特性。

1.3 電纜替代式限動旋轉關節

轉臺式天線旋轉關節可作無障礙旋轉,但在一些特定情況下,不需要天線作無障礙旋轉,例如天線方位轉動范圍僅在-320°～320°之間的限動天線,可使用寬溫、穩相、低損耗、柔軟電纜隨卷繞裝置完成天線方位平臺動環與天線立柱內定環的連接,每個電纜組件代替一路關節,用來獲得更好的關節電氣指標。線纜替代式限動關節結構簡單,易于調試與更換,多路關節之間電性能一致性好。電纜替代式旋轉關節的電性能由關節內部電纜本身電特性以及電纜隨卷繞裝置轉動受力情況決定,只要電纜在卷繞裝置上均勻受力,就可獲得良好的時延特性。

通過上述分析,非接觸式旋轉關節是應用最廣泛的旋轉關節,可靠性高,時延穩定性和一致性較差;接觸式旋轉關節可用于大功率信號傳遞,使用壽命較短,時延穩定性較好;電纜替代式限動旋轉關節只能用于低功率信號傳遞,轉動范圍受限,時延穩定性優異。

2 旋轉關節時延特性測試試驗

旋轉關節時延特性測試需要使用矢量網絡分析儀(以下簡稱矢網)、輔助電纜等建立測試環境,如圖1所示,為構成測試回路,需引入測試輔助電纜連接發射俯仰關節與接收俯仰關節。其測試信號流程為:矢網發端口→發射方位關節→發射俯仰關節→接收俯仰關節→接收方位關節(矢網收端口。測試回路中所有測試線纜均保持固定,可以避免測試中電纜甩動造成的時延抖動,提高時延的測試精度。

圖1 旋轉關節時延特性測試連接圖

測試頻點選擇通用導航L頻段,選擇1.2 GHz頻點,使用矢量網絡分析儀作為測試工具。天線方位和俯仰同時保持勻速轉動,矢網每秒記錄一次回路時延變化值。不同類型旋轉關節其時延特性結果分別如下所述。

2.1 非接觸式旋轉關節

選用同軸線非接觸式旋轉關節分別作發射關節和接收關節構成測試回路,進行旋轉關節時延特性測試,其測試結果如圖2所示:橫坐標為測試時間、縱坐標為歸一后的時延變化值。

圖2 非接觸式旋轉關節轉動時的時延穩定性

從圖2中可以看到耦合式旋轉關節轉動時的時延特性較差,時延變化范圍在0.6 ns以內,隨著旋轉關節的轉動,其時延會作隨機的跳動,任何微小的震動均會引起時延的變化。

2.2 接觸式旋轉關節

選用觸點滑環電刷式關節旋轉關節分別作發射關節和接收關節構成測試回路,進行旋轉關節時延特性測試,其測試結果如圖3所示。

圖3 接觸式旋轉關節轉動時的時延特性

從圖3中可以看到接觸式旋轉關節轉動時延特性穩定性較好,時延變化范圍在0.2 ns以內,但隨著旋轉關節轉動會出現時延值突跳、毛刺現象。

2.3 電纜替代式限動旋轉關節

選用電纜替代式限動旋轉關節分別作發射關節和接收關節構成測試回路,進行旋轉關節時延特性測試,其測試結果如圖4所示。

從圖4中可以看到電纜替代式限動關節的時延特性非常好,時延變化范圍在0.05 ns以內,較前兩種類型的旋轉關節時延特性更好。

圖4 電纜替代式限動關節轉動時的時延特性

3 結 論

旋轉關節信號傳遞的方式決定了它們的時延穩定特性:電纜替代式旋轉關節的時延穩定性最好,其次是接觸式旋轉關節,非接觸式旋轉關節較差。因此我們建議衛星導航轉臺天線旋轉關節選用接觸式旋轉關節作為發射關節,電纜替代式旋轉關節作為接收關節。

[1] 湯長嶺.旋轉關節結構設計探討[J].電子機械工程,2002(1):32-34.

[2] 彭天杰.L波段二維高功率旋轉關節結構設計[J].電子機械工程,2008(2):41-43.

[3] 唐 波.L頻段雙通道旋轉關節的研制[J].電訊技術,2007,47(4):172-173.

[4] 孫國強,平軼君.非接觸式 L波段雙路旋轉關節[J].火控雷達技術,2008,37(3):69-71.

[5] 王群杰,汪 偉,李 磊,等.可堆積餅式旋轉關節的設計[J].雷達與對抗,2006(4):42-44.