衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心精確測量分析

王蘭貴，于少飛，于衛(wèi)東，李 勇

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.江蘇省常州外國語學(xué)校，江蘇 常州 213000)

0 引言

在進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航定位和測距時，衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心的標(biāo)定準(zhǔn)確度是其測量準(zhǔn)確度的重要因素。一般衛(wèi)星導(dǎo)航天線在出廠時都給出了相位中心位置。天線相位中心的測量方法在不少研究中有所介紹[1-3]，但它們大多由于收發(fā)天線距離不夠遠(yuǎn)、測試環(huán)境的電磁波反射不夠小以及測試轉(zhuǎn)臺和相位中心標(biāo)定裝置不夠精確等原因，天線相位中心的測量普遍存在精度低的問題。

影響天線相位中心測量準(zhǔn)確度的因素主要有以下幾點：① 要有符合測量條件的測試環(huán)境，這個環(huán)境要求有足夠的“無限遠(yuǎn)距離”和足夠小的電磁波反射；② 要有精確的測試轉(zhuǎn)臺、相位中心標(biāo)定裝置；③ 要有性能穩(wěn)定的測試設(shè)備。

本文重點解決天線相位中心精確測量環(huán)境的問題，使其既要滿足室內(nèi)遠(yuǎn)場測量條件，又要電磁波反射足夠小，還要有電平幅度和相位均勻性滿足測試要求的靜區(qū)。同時，對測試轉(zhuǎn)臺的精度、多功能性和相位中心的標(biāo)定裝置提出了特殊要求。

1 天線測量暗室的測量原理

為了實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航天線的精確測量，發(fā)射天線發(fā)出的電磁波應(yīng)以均勻平面波的形式照射被測天線，這樣就要求測試距離為無窮大，但在實際測量時，發(fā)射天線到被測天線的距離總是有限的，這樣就會引起測試誤差。為了保證測量數(shù)據(jù)滿足測量要求，有必要規(guī)定一個最小測試距離R。根據(jù)測量準(zhǔn)確度的要求,可規(guī)定在被測天線中心到邊緣入射波應(yīng)滿足的相位條件，據(jù)此來確定最小測試距離，從而確定微波暗室的結(jié)構(gòu)尺寸。

源天線與接收天線的空間位置示意如圖1所示。

圖1 源天線與接收天線的空間位置示意Fig.1 Schematic diagram of the spatial position of the source antenna and the receiving antenna

在微波暗室里測量時，發(fā)射天線發(fā)出的電波為球面波，由圖1可知測試距離：

(1)

式中，R為發(fā)射天線到接收天線之間的距離；D為接收天線最大有效尺寸；Δ為從O點發(fā)出的電磁波到達(dá)接收天線中心與到達(dá)天線邊緣的路程差。

式(1)展開后：

忽略高階量Δ2,則：

(2)

以上計算未考慮發(fā)射天線的有效尺寸。在考慮發(fā)射天線有效尺寸的情況下，式(2)變?yōu)椋?/p>

(3)

式中，d為發(fā)射天線最大有效尺寸。

當(dāng)D?d(或d?D)時，采用式(2)即可；但當(dāng)D與d相當(dāng)時，必須同時考慮2個天線的有效尺寸。

根據(jù)計算出的最小測量距離R值，以及環(huán)境干擾情況、吸波材料性能等一些條件就可設(shè)計出所需要的微波暗室[4-11]。

2 導(dǎo)航暗室設(shè)計特點和計算方法

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航測距準(zhǔn)確度可達(dá)毫米級，包括天線相位中心的標(biāo)定精度和載波相位的精確測定。以在微波暗室中精確測量衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線的相位中心為例計算微波暗室的結(jié)構(gòu)尺寸。

假定天線相位中心標(biāo)定準(zhǔn)確度為2 mm，北斗使用頻率B3=1 340.13 MHz，λ=c/f=0.223 m=223 mm，2 mm偏差折算為相位差：

要保證此精確度，則式(3)中的Δ應(yīng)小于λ/110，式(3)變?yōu)椋?/p>

(4)

設(shè)D=d=0.3 m,R=14×(0.3+0.3)2/0.223≈22.6 m,根據(jù)暗室結(jié)構(gòu)圖2可知：

暗室長度：R暗室=R+5 m+2 m=29.6 m，設(shè)計值：R暗室=30 m。

圖2 暗室結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of darkroom

吸波材料的吸波性能與電波入射角有密切關(guān)系，垂直入射時最好，吸波性能目前可達(dá)40 dB；斜射時性能降低，在45°入射時性能降低6 dB左右；入射角度大于45°后吸收性能惡化程度迅速增加。為了保證暗室的整體性能，保證發(fā)射波入射到四周墻壁并反射到被測天線時的入射角不大于60°，對暗室的長、寬、高要統(tǒng)籌考慮。

根據(jù)公式計算和設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)構(gòu)尺寸一般設(shè)計為30 m×20 m×16 m。新建設(shè)的暗室應(yīng)盡可能保證測試精度要求。如果是舊建筑改造成暗室，其結(jié)構(gòu)尺寸可做適當(dāng)調(diào)整，但不能偏差太多，以免影響測量準(zhǔn)確度。

一般所說的天線遠(yuǎn)場測量條件：

(5)

其實就是令式(2)中的Δ為λ/16 而得出。用式(5)算出的發(fā)射天線到被測天線的距離是滿足遠(yuǎn)場測量條件的最小距離，而且發(fā)射波到達(dá)被測天線幾何中心和邊緣的相位差為22.5°。顯然這一距離對于一般工程測量來說是可以的，但對于一些高精度天線，尤其是衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心的測量還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

用于衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測量的微波暗室在滿足一般天線測試暗室要求的基礎(chǔ)上，用測量準(zhǔn)確度要求來精準(zhǔn)設(shè)計測量距離，以便使發(fā)射電磁波到達(dá)被測天線幾何中心和邊緣的相位差滿足測量準(zhǔn)確度的要求。

該種用途的微波暗室的主要特點是：

① 有足夠長的測量距離。主要是為了滿足發(fā)射電磁波到達(dá)被測天線中心和邊緣的相位差要求。

② 對測量轉(zhuǎn)臺的要求。衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測量轉(zhuǎn)臺除要求具有水平旋轉(zhuǎn)軸、俯仰旋轉(zhuǎn)軸外，還要求具有X,Y,Z三坐標(biāo)移動裝置。對其轉(zhuǎn)軸定位準(zhǔn)確度和X,Y,Z三個坐標(biāo)方向移動準(zhǔn)確度都有特定的要求。

③ 電磁屏蔽要求。

④ 暗室可以分級。不是所有暗室都必須達(dá)到這一要求，國家級檢測中心和特定需要精確標(biāo)定相位中心的實驗室要按照一級要求，嚴(yán)格設(shè)計、施工和標(biāo)定。一般用途實驗室或工廠可根據(jù)自身的需要自行設(shè)計，以節(jié)約成本。

3 測量結(jié)果分析

為了精準(zhǔn)測量北斗導(dǎo)航天線相位中心及其幅度性能，設(shè)計的某一微波暗室尺寸為：30 m×20 m×16 m，測試靜區(qū) 0.3 m×0.3 m×0.3 m。收發(fā)距離22 mm時的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 靜區(qū)主要性能指標(biāo)要求

微波暗室靜區(qū)性能測試[12-16]比較復(fù)雜，工作量較大。本文僅以靜區(qū)中心沿發(fā)射波X軸方向的性能為例來介紹。表2給出了頻率f=2 GHz時，某衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心精確測量結(jié)果。圖3給出了頻率f=2 GHz時所測的靜區(qū)中心位置X軸方向的相位均勻性和電平均勻性曲線。從測量結(jié)果可以看出，相位中心相位均勻性小于±0.8°，電平均勻性小于±0.5 dB,優(yōu)于傳統(tǒng)測量方法。

表2 天線相位中心測量結(jié)果

(a) 相位均勻性

導(dǎo)航暗室的實景如圖4所示。

圖4 導(dǎo)航暗室實景Fig.4 Photo of a microwave darkroom for satellite navigation antenna

4 結(jié)束語

在高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航測量中，導(dǎo)航天線相位中心準(zhǔn)確度是不容忽視的重要因素。天線相位中心的測量和標(biāo)定準(zhǔn)確度直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航定位和測距的準(zhǔn)確度。微波暗室是保障衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心準(zhǔn)確測量的基本條件，不但能夠保證全天候的穩(wěn)定測量，還能實現(xiàn)量值復(fù)現(xiàn)，滿足不同測量認(rèn)證的需要。

影響衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測量和標(biāo)定精度的因素是多方面的。本文提出了利用微波暗室進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測量的思路和方法。實踐證明,該設(shè)計思路及計算方法是有效、正確的。這一設(shè)計思路是多年測量經(jīng)驗的總結(jié)和歸納，同時也為讀者在建造同樣用途的微波暗室時提供了參考。