抛物面天线时延变化特性研究

黄旭峰，马 煦

（北京卫星导航中心，北京 100094）

抛物面天线是卫星导航地面站的重要组成部分，负责完成卫星与地面站时间同步上行信号发射和下行信号接收，是伪距测量重要设备，因此要求天线自身的时延相对稳定。

天线系统时延标定后，其时延变化的主要因素有两个：一是环境温度的变化带来的天线时延变化；二是转动时带来的天线时延变化。

1 天线时延组成

天线系统如图1所示按照信号传输的路径可以分为反射面光程段、馈源段（喇叭+网络）、馈线段。每个组成部分的物理结构和电磁波传播机理不同，其时延变化特性也会有所不同，需要对各个部分分别进行分析研究。其中馈线段除同轴电缆以外的部分通常放入恒温机房，而同轴电缆的时延对温度的变化规律比较明确。因此，馈线段主要研究转动时天线时延变化；反射面光程段和馈源段在天线转动时相对信号传输方向相对静止，因此需要研究其随温度变化的特性；三个部分时延变化量的均方根值就是天线系统时延变化量。

图1 天线时延组成图

2 光程段时延变化

由温度变化引起的光程段时延变化可以通过理论计算得到。光程段时延变化主要是由于天线相位中心参考点的变化引起，天线相位中心参考点选在天线口面中心，该参考点主要受环境温度和天线俯仰角的变化而变化。为此，我们专门利用ANSIS力学分析软件考察了抛物面天线在俯仰角一定情况下温度变化引起的相位中心参考点的位移变化量（图2中的DMX表示相位中心参考点的位移变化量）。

图2 温差为50度时的天线相位中心参考点的位移

由图2可见，在俯仰角一定情况下最大温差达到50度时，从馈源到主面口面的光程变化小于10mm，即0.0333ns，该时延变化量不影响卫星导航系统测距精度，因此光程段时延随温度的变化可以忽略不计。

3 馈源段时延变化

馈源段主要包含了喇叭、馈源网络和滤波器等几部分，其中喇叭段因温度变化而产生的时延变化可以通过计算方法得到；馈源网络和滤波器时延随温度的变化较为复杂。为此，分别对含滤波器的馈源网络、不含滤波器的馈源网络及滤波器进行温变实验，分析了温变条件下不含喇叭段的馈源段时延变化特点，并根据实验结果合理设计了工程实现方案。下面将分别介绍馈源段各个组成部分在温变条件下的时延变化特点和测量方法。

3.1 喇叭段时延变化

在喇叭段，引起时延发生变化的原因是外部热环境变化导致喇叭长度发生变化。热环境导致喇叭长度的变化量以及相应电长度的变化量通过计算方法可以得到。

喇叭可等效为圆波导，因此喇叭短时延随温度的变化量可以等效为圆波导时延随温度的变化量。在空气填充波导中电磁波传播的时延公式为：

式中，l为波导长度。

由上式可看出，只要求出波导长度随温度的变化量Δl，就可求出时延变化量Δτ。

以13m抛物面天线为例，下面分别求出L和C 双频段上的喇叭随温度变化后长度的变化量Δlh和Δln。喇叭是由合金铝材加工而成，合金铝的线胀系数为a=23×10-6/°，温度变化时，喇叭长度的变化公式为

式中，T1表示变化前的温度；T2表示变化后的温度；ΔT表示温差。

喇叭长度为1887mm，相心距口面为800mm，则喇叭喉部距相心的距离为1887-800=1087mm。于是，喇叭随环境温度变化60º后，长度将变化Δlh：

因此，喇叭的时延变化量为：

对于圆波导λc=3.14R=3.14×80=272.8mm，不同频率点上的Δτh如表1所示。从表1中可以看出，相比于光程段时延，喇叭段时延受温度变化的影响更小，对卫星导航系统的测距不会造成影响，因此可以忽略温度变化对喇叭段时延的影响。

表1 喇叭不同频率条件下的Δτh值

3.2 馈源网络段时延变化

如前所述，光程段和喇叭段的时延受温度的影响可以忽略不计，所以天线设备时延随温度的变化量就主要取决于馈源网络。为了分析在温变条件下，滤波器对馈源网络时延变化的影响，将馈源网络分为含滤波器模式和不含滤波器模式，并单独测试了L频段滤波器在温变条件下的时延稳定性。关于馈源网络在温变条件下的时延变化特性测量的具体操作如下：首先，对矢量网络分析仪进行初始定标；然后，按照图3所示连接待测馈源网络，将待测部件放置在温箱内，调节温箱温度，利用矢量网络分析仪直接测量天线馈源网络在不同温度和不同频率下的时延值，并记录测量结果。测试条件为：温度变化范围为10°～+40°，步进值为5º。馈源网络时延变化量即为：环境温度从10°变化到+45°，馈源网络时延的最大值与最小值之差。

图3 馈源网络时延变化量测试框图

下面分别以13m天线为例，给出温变条件下含滤波器的馈源网络时延变化的实验及结果。

表2 13m天线馈源网络L频段时延随温度变化结果（ns）

由表2和图5、图6表明，13m天线在L频段上的变化较大，最大与最小之差超过了0.2ns。相反地，不含滤波器的馈源网络在L波段的时延随温度变化却非常小。

图4 13m天线L发射频段1340MHz馈源网络时延随温度变化趋势图

图5 13m线L接收频段1268MHz馈源网络时延随温度变化趋势图

通过比较含滤波器与不含滤波器的馈源网络时延温变实验结果可以发现，滤波器造成了馈源网络时延随温度而发生较大变化。L频段由于频率间隔近，抑制度高，阻发滤波器采用带通形式，其驻波和隔离的响应曲线都很陡，大的温度变化会导致时延变化较大。因此，滤波器是造成L频段馈源网络时延随温度变化大的主要原因。为此，为进一步验证滤波器的影响，单独对滤波器在L频段下进行了温变实验。测试条件为：温度变化范围为-45°～+75°，步进值为30°。馈源网络时延变化量即为：环境温度从-45°变化到+75°，滤波器时延的最大值与最小值之差。

表3 滤波器时延随温度变化结果（ns）

图6 滤波器时延随温度变化趋势图

表3和图7分别给出了L频段滤波器随温度变化的实验结果和变化趋势，可以看出L频段的滤波器时延几乎是随温度呈线性变化，变化幅度比较大。为此，在工程上，为保证L频段的时延稳定性，将L频段滤波器安装于温度基本恒定的位置。另外，为了尽可能消除L频段滤波器的时延变化影响，最好将滤波器安置于标校环路内。因此在工程实现时，可以把L频段滤波器与后端馈线一起安置在装有空调的发射机房内，置于功放前端。这样的调整可带来三个好处：一是机房内装有精密空调，温度恒定，可显著减小滤波器时延变化。二是滤波器安置于标校回路内后，通过标校回路可实时对滤波器时延进行标定，消除了L频段滤波器时延变化对系统的影响。三是发射馈线为硬电缆连接，原配置无法对馈线匹配进行调整。滤波器后移后，通过调整滤波器可以对馈线匹配进行适当调整，可更好地实现功放与天线的匹配。

4 馈线段时延变化

抛物面天线馈线段指的是从天线中心体内的场放输出端到发射机房信道机柜输入端，整个馈线段包含有方位关节、俯仰关节、各段连接线缆。如图7所示，为构成测试回路，需要将一路接收通道用于上行发射标校信号，另外需引入测试辅助电缆连接接收俯仰关节与接收俯仰关节。其测试信号流程为：矢网发端口→标校方位关节→标校俯仰关节→接收俯仰关节→接收方位关节→矢网收端口。测试回路中所有测试线缆均保持固定，可以避免测试中电缆甩动造成的时延抖动，提高测试精度。测试条件为：天线方位和俯仰同时保持匀速转动，矢网每秒记录一次回路时延变化值，连续记录直到天线方位旋转360°，俯仰转动90°为止。馈线段时延的最大值与最小值之差。

图7 馈线段时延变化测试图

其时延特性结果分别如图8所示：

图8 馈线段随天线转动时延变化测试图

从图8中可以看出，抛物面天线接收链路时延特性非常平坦，时延变化范围在0.05ns以内，适合应用于对时延稳定性有较高要求的导航系统。旋转关节其时延稳定性仅取决于动环与定环间的连接电缆的时延特性以及该连接电缆的卷绕方式。选择机械柔软（转弯半径小）、宽温、稳相电缆以及设计均匀受力的电缆卷绕方式就能保证信号时延传递的稳定性。

5 结束语

通过对抛物面天线系统的各个组成部分时延变化特性分析和实验，可以得出如下结论：天线设备时延变化量主要是由馈源段时延随温度变化引起，而且馈源段中的滤波器时延随温度变化较大。根据该结论，对抛物面天线的结构提出了调整方案，将滤波器置于恒温环境中，并作为标校回路的一部分可实时消除滤波器的时延变化。