共模電流對天線穩定性的影響

馬 煦，段恒毅

（1.北京衛星導航中心，北京 100094；2.中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

1 引言

天線作為一種無源器件，在周邊環境不變的情況下，通常認為其性能性能是穩定的，也就是不隨時間變化的。但實際上在有些情況下，設計不良的天線是會出現信號的不穩。比如某測向設備在使用中就曾發現從測向接收的單元天線輸出的接收信號相位會隨時間緩慢漂移。經過長時間觀察還會發現這個相位的漂移具有近似來回振蕩的特點，其最大漂移量可達20°。圖1是我們在天線測量暗室中觀察到的天線單元在10分鐘以后頻率2GHz-12GHz接收信號的時變相位漂移情況。

圖1 天線10分鐘的相位漂移

在干涉儀測向系統中，各測相通道的相位穩定性是保證系統準確測定來波波達方向的基礎[1][2]，而幅度達20°的時變相位漂移量對這種體制的測向系統來說顯然不可以忽視，因此問題的嚴重性是不言而喻的。然而，在著手對這一現象進行研究時，對國內公開發表的有關技術文獻資料進行檢索后卻沒有發現有關這方面的論述，因此本文只好根據實驗現象對這一問題進行分析研究，我們的分析研究從信號的迭加干涉開始。

2 同頻信號的迭加干涉

先假設兩路同頻信號分別為

當這兩路信號迭加以后得到

令 A=ES0+EJ0cos（φ），B=EJ0sin（φ），式（2）可以寫成

其中

如果ES0》EJ0，則式（4）可以簡化成

3 共模電流對天線信號相位的影響

一個天線系統是由天線以及連接在天線上的饋線組成的。當外來電磁波照射到天線上時，也同時照射到連接天線的饋電同軸線外皮上。一個設計良好的天饋系統，天線和饋電同軸線外皮是相互隔離的，也就是說在即便饋電同軸線外皮感應有電流也不會通過和天線的接口流入到饋線內部。但是有些設計不夠謹慎的天線會有隔離不好的情況，于是在饋電同軸線外皮感應的共模電流就會通過天線端口流入到饋線內部。我們假設通過天線進入饋線的信號為（1a），進入的饋電同軸線外皮感應的共模電流信號為（1b），它們在饋線內合成信號（3）。如果天線接收的信號，饋電同軸線外皮感應的共模電流信號以及它們之間的相位差都是恒定的，最后天線輸出的信號僅僅是幅度的大小量值有些不同而已，如果這兩個信號之間的相位差是變化的，情況就將大不一樣了。

為了說明這種情況，我們仍先將問題簡化一下。這里我們假設天線接收的信號強度比同軸線外皮感應的共模電流信號大得多，因為天線的接收效率通常會比同軸電纜感應外來電磁波的效率要高，這也是我們在實際工程中最常見的一種情形。由（3）可以得到天線輸出信號的相位

由式（7）可見，天線輸出信號相位變化的最大幅度是由EJ0/ES0來決定，干擾信號的強度越大，其相位漂移的幅度會越大。比如天線最大漂移相位幅度是20°，由式（7）可以算出共模干擾電流信號比天線接收的信號小-9dB。

如果共模電流信號與天線接收信號之間的相位差是恒定不變的，天線輸出信號的相位是不會變化的。然而測試中我們確實觀察到天線輸出信號相位的變化，這個變化是怎么來的呢?我們知道共模電流是入射電磁波照射到饋電同軸線外皮上產生的，這個電流沿著同軸線外導體的外邊流向天線端口，在此期間，由于天氣溫度的變化，同軸線的長度是會發生變化的。我們假設其熱膨脹系數為α，共模電流流動的路徑長度假設為L，那么由同軸線長度變化帶來的相位變化為

考慮天線工作現場環境溫度隨時間變化導致同軸線長度變化為時間函數，因此在引入隨時間變化的溫度T（t）以后式（8）可以寫成

圖2 共模電流流入接收天線端口引起的信號相位變化

大多數情況我們使用的同軸線內外導體都是銅質的，銅的熱膨脹系數為17.7×10-6m/C°，而氣溫變化我們假設為0.5C°/h，根據式（7）可以算出工作頻率2GHz-12GHz的共模電流流經的路徑長度為1000mm時接收天線10分鐘的信號相位變化（見圖2）。

比較圖2和圖1可知，由式（7）計算的結果和實驗結果是一致的。

4 結束語

本文對天線工程應用中出現的接收信號相位漂移現象進行了分析，提出了相位漂移產生的機理并推導了相應的分析計算公式。利用文中所述機理可以對工程中出現的相位漂移現象作出合理解釋，利用推導的計算公式計算得到的結果也和實驗中觀察到的情況吻合一致。