陳隨斌，任紅宇，章泉源

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

隨著衛(wèi)星功能的增多和集成度的提高，星體結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，星載天線工作環(huán)境也越來越惡劣，其裝星后的性能倍受衛(wèi)星總體和星載天線研究者的關(guān)注，解惑的最佳方式是進行整星天線輻射特性測試。

確定星載天線安裝位置時，根據(jù)天線的視場角和星體表面安裝設(shè)備狀態(tài)配合總體布局設(shè)計師給出初步布局，再進行整星天線輻射特性仿真分析，依據(jù)仿真結(jié)果和表面安裝設(shè)備的重要程度作局部調(diào)整，最終給出正式布局狀態(tài)。隨著電磁場數(shù)值分析技術(shù)發(fā)展，對帶電大尺寸載體的天線輻射特性仿真成為可能，但整星天線輻射特性測試仍有其必要性。首先，衛(wèi)星一般裝有多種不同的天線，由多家機構(gòu)研制，而天線的性能指標是在整星狀態(tài)下考核的，部分指標（如天線間隔離度）無法在單機狀態(tài)下測試獲得，為滿足衛(wèi)星總體要求須進行整星天線輻射特性測試。其次，為考察星體和星體外表面其他凸出物對天線輻射特性的影響程度，驗證天線的布局設(shè)計合理性、整星天線輻射特性仿真結(jié)果與實測結(jié)果的符合性，考核衛(wèi)星總體對天線（分系統(tǒng)）的性能要求是否滿足，為整星使用提供依據(jù)，也需要進行整星天線輻射特性測試。第三，建立整星天線輻射特性仿真模型時，星體、天線和周圍安裝的設(shè)備均為理想模型，而實際裝星天線產(chǎn)品與理想天線模型存在差異，同時仿真中對周圍設(shè)備所用復(fù)合材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)會作等效和簡化處理。因同一結(jié)構(gòu)對不同波長的電磁波的簡化模型并不相同，天線輻射特性與天線結(jié)構(gòu)形式和尺寸及邊界條件有關(guān)，不同切面和周向輻射幅度的不均勻性各異，對天線輻射增益方向圖仿真結(jié)果影響較小，但對與相位有關(guān)的軸比、干涉區(qū)的影響卻較大，仿真只能對存在的干涉和遮擋等進行預(yù)估，不能準確反映天線的真實性能，不可替代整星天線輻射特性測試。第四，天線承制機構(gòu)是以天線單機研制為主，考慮研制成本，無法由每個單位制作一個模擬星體對其研制的天線進行測試，且各研制機構(gòu)的測試場地性能、測試設(shè)備自動化程度和測試精度存在差異，特別是當(dāng)天線某個性能指標為臨界值時，可能因這些差異引起爭議。因此，用同一星體模型、測試場地、測試設(shè)備進行測試和統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理方法可消除此隱患，形成完整的天線（分系統(tǒng)）輻射特性測試結(jié)果，技術(shù)狀態(tài)統(tǒng)一。隨著天線多頻點采樣測試技術(shù)的發(fā)展，天線測試設(shè)備的自動化和測試場地的完備，天線測試效率明顯提高，整星天線輻射特性所用時間已由過去40多天壓縮到現(xiàn)在的20d左右。為此，本文對復(fù)雜衛(wèi)星天線組合狀態(tài)下的整星狀態(tài)的輻射特性測試進行了研究。

1 測試條件

整星天線輻射特性測試屬于大型試驗，正常情況下不再進行第二次測試。為確保天線性能的測試結(jié)果真實有效和在軌可用，整星天線輻射特性測試應(yīng)具備的條件是：整星設(shè)備布局設(shè)計完成并通過評審，參試天線產(chǎn)品完成各項環(huán)境試驗，具備交付條件，承擔(dān)衛(wèi)星天線（分系統(tǒng)）輻射特性測試單位已完成全尺寸模擬星體和測試工裝的設(shè)計與加工，根據(jù)待測天線頻段和星體尺寸選定測試場地，整星輻射特性測試大綱和細則通過評審。因此，整星天線輻射特性測試最佳時機是選擇在衛(wèi)星初樣研制階段的后期。

1.1 測試切面選取

為保證測控通信／數(shù)據(jù)傳輸鏈路可用度高，通常要求星載天線波束軸向旋轉(zhuǎn)對稱，且周向輻射均勻，因此需測試星載天線多切面方向圖進行驗證。這就要求選取的切面數(shù)合理，既可全面正確地反映天線性能，又能使測試工作量、測試數(shù)據(jù)處理量和測試工裝數(shù)量可接受。因衛(wèi)星天線選型時考慮了波束軸向旋轉(zhuǎn)對稱的形式，體積小、質(zhì)量輕，且整星天線輻射特性測試為驗證性，故可將整星天線輻射特性測試適當(dāng)前移，具體做法是：單天線測試在360方位面上，每隔15°測試一個俯仰面方向圖，對幅度均勻度要求高的天線可每隔5°～10°測試一個俯仰面方向圖；整星天線輻射特性測試中通常選取0°，45°，90°，135°四個主切面，適當(dāng)增加有嚴重遮擋物方向的測試切面，并通過隨機角度安裝天線的辦法，增加測試結(jié)果的可信度。

1.2 軸比超差引起損耗允許富余增益補償

為線極化電磁波穿過電離層發(fā)生極化偏轉(zhuǎn)及飛行器姿態(tài)變化引起的極化嚴重失配而接收不到信號等問題，星載天線多要求輻射圓極化電磁波。對多數(shù)中低軌道衛(wèi)星，隨著地面接收站天線增益和星地接收機靈敏度的提高，信號傳輸鏈路電平有富裕的余量，要求天線軸比在波束范圍內(nèi)小于5.2dB，且要求軸比超差引起損耗允許富余增益補償，這可解決天線單獨測試時軸比滿足要求或在波束邊緣軸比超差不明顯，裝星后受金屬星體和安裝天線周圍環(huán)境復(fù)雜引起的軸比退化，并防止圓極化波變成線極化波。星上發(fā)射天線軸比為5.2dB是為便于信號鏈路電平的計算（地面接收站天線軸比為1dB時，引起的極化損失恰為0.5dB），嚴格來說計算過程中極化損失值應(yīng)綜合星載天線軸比要求值和地面站接收天線軸比確定。

2 測試關(guān)鍵技術(shù)

2.1 測試誤差

天線電性能指標包括工作頻帶、波束寬度、增益、極化方式、軸比、駐波比、功率容量和天線間隔離度。這些指標相互關(guān)聯(lián)，除功率容量單獨考核外，其他指標均可在整星上測試。測試必然涉及誤差，對寬波束、低增益、圓極化和低駐波的衛(wèi)星平臺天線，隨著測試設(shè)備取樣精度和穩(wěn)定度的提高，工作頻帶、波束寬度、駐波比和隔離度等指標的測試誤差已達可接受程度，增益和軸比的測試誤差成為主要關(guān)注對象。

2.1.1 增益測試誤差

增益測試誤差來源多面，且與被測天線形式有關(guān)，星載天線增益測試誤差主要因素如下［1］。需說明的是在增益測試過程中，引起天線增益測試誤差的因素不利于天線增益，天線的實際增益高于測得的增益。

a）因測試距離有限，發(fā)射波并非完全均勻平面波。按目前國內(nèi)對測試場地要求，測試區(qū)電磁波的幅度均勻性應(yīng)滿足優(yōu)于±0.25dB，由此引起的實測增益較真實值小0.1dB［2］。

b）圓極化天線的增益方向圖測試，多采用同旋向圓極化天線發(fā)射，其發(fā)射圓極化波并非純圓極化，軸比約為2～3dB量級，相對純圓極化必會產(chǎn)生附加極化失配損耗，且附加極化損失值與接收天線的軸比有關(guān)，同時由于無純圓極化標準增益喇叭定標，通過線極化標準增益喇叭對水平和垂直兩次測試值進行合成定標，存在天線軸對不準引起的誤差。由此兩部分引起的實測增益較真實值小0.25dB。

c）連接測試誤差，主要源于轉(zhuǎn)接件的連接失配和電纜移動，量級約0.1dB。

d）儀表設(shè)備讀數(shù)、測試波相位不均勻、多路徑干涉、信號源功率漂移、被測天線的相位中心與旋轉(zhuǎn)中心不重合等引起的誤差，量級約0.15dB。

一般增益測試誤差要求小于0.25dB，目前該要求僅在專業(yè)測試機構(gòu)中才能滿足，多數(shù)工程研究機構(gòu)難以實現(xiàn)。因此，為便利和避免繁瑣分析計算，工程技術(shù)人員在增益測試時統(tǒng)一取誤差為0.5dB較合理，且可被接受。

2.1.2 軸比測試誤差

目前軸比測試較常用的方法有兩種［3］。一種是以適當(dāng)?shù)乃俣冗B續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)具有線極化的發(fā)射天線，待測天線在水平面做360°掃描，接收機記錄的相對電平變化軌跡即為軸比方向圖。另一種是發(fā)射天線分別輻射垂直極化和水平極化波，待測天線在水平面做兩次360°掃描，接收機記錄兩次接收到的信號幅相值，由數(shù)值計算給出不同角度的軸比值。第一種方法的測試過程簡便、結(jié)果形象，其誤差主要源于測試場地引起的發(fā)射波幅相不均勻、發(fā)射波非純線極化（40dB的軸比引起的圓極化軸比測量誤差為0.18dB）、數(shù)據(jù)處理的讀數(shù)誤差、測試設(shè)備的削峰填谷現(xiàn)象，誤差量級約0.5dB。第二種方法的測試過程繁瑣、結(jié)果直觀，其誤差源于測試場地引起的發(fā)射波幅相不均勻、發(fā)射波非純線極化、數(shù)據(jù)處理中取值截留誤差和讀數(shù)誤差，誤差量級約0.3dB。

需注意的是：當(dāng)軸比測試曲線上出現(xiàn)突然巨變的尖銳毛刺，可認為其不是天線軸比的真實值，因為輻射體上電流的連續(xù)性電磁場不會產(chǎn)生突變，且天線單獨測試中一般無此現(xiàn)象。這主要是由測試過程中測試信號源的短暫不穩(wěn)、轉(zhuǎn)臺設(shè)備的抖動、測試場受到瞬間干擾或星上其他設(shè)備在某個方向上的反射造成的干涉而引起的，只需重新測試或轉(zhuǎn)動被測天線角度便可消除。

2.2 干涉

星體上安裝設(shè)備的空間資源有限，結(jié)構(gòu)復(fù)雜星體適合天線安裝的空間更小，致使衛(wèi)星天線的工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，常受星體、周圍其他天線和設(shè)備影響，出現(xiàn)多路徑效應(yīng)現(xiàn)象，對天線的輻射方向圖造成干涉，形成輻射的啞點或盲區(qū)，在地面站天線波束指向干涉區(qū)時，造成星地信號鏈路電平低而無法正常通信［4］。測試中出現(xiàn)非正常干涉時，可用以下方法解決。

a）檢查所有待測天線是否連接匹配負載，特別是同頻段工作的天線（如備份天線）。同頻段待測天線接收到發(fā)射天線的電磁波后，如無負載吸收，反射后重新輻射，必然對被測天線方向圖形成干涉。

b）檢查待被測天線周圍是否存在長度與輻射波成nλ／4相近的桿狀金屬體，因為它可能被激勵，變?yōu)樘炀€進行輻射，對被測天線形成干涉。此處：λ為波長；n為整數(shù)。

c）檢查被測天線周圍是否存在產(chǎn)生很大雷達散射截面（RCS）的物體，如與波長可比擬的金屬平板、凹反射體。這些物體可在某方向形成強反射，對被測天線形成干涉。

d）繞天線軸旋轉(zhuǎn)天線一定角度，利用天線周向輻射幅度的不均勻性，破壞干涉形成的條件，減輕干涉程度。

e）適當(dāng)調(diào)整天線位置和高度，改變天線輻射波與干涉波的相對相位關(guān)系，緩解干涉程度［5］。

2.3 增益方向圖測試曲線起伏

某衛(wèi)星測控天線整星測試和仿真增益方向圖如圖1、2所示，兩者間增益的差異源于仿真時微波網(wǎng)絡(luò)的功分比采用理論值，未計及網(wǎng)絡(luò)和高頻電纜損耗。其中：整星測試中初樣產(chǎn)品采用國產(chǎn)電纜，對地面天線連接電纜實測損耗1.5dB（3m），對天面連接電纜實測損耗2.55dB（5.5m），微波網(wǎng)絡(luò)通道實測損耗0.4dB。

由圖1可知：天線單獨測試的增益方向圖光滑曲線變成有小幅度起伏的曲線，似附加一無規(guī)律的小幅度調(diào)制波。最初判斷是星體反射回來的波對測試場的平面波形成干涉，使來自發(fā)射源的均勻平面波幅度在待測天線區(qū)呈現(xiàn)為駐波，導(dǎo)致待測試天線接收信號出現(xiàn)起伏。但對仿真結(jié)果進行幅值符合性比較時，發(fā)現(xiàn)仿真方向圖曲線也存在起伏。據(jù)此認為是來波照射在星體和附屬設(shè)備上發(fā)生反射，致使天線輻射體上的電流受到干擾，這是無規(guī)律、不均勻的起伏主因，測試場的不均勻性加劇了這種起伏。因整星天線輻射特性仿真是在自由空間進行的，說明這種起伏是星體引起的固有特征。

圖1 整星測控天線增益方向圖測試結(jié)果Fig.1 Gain of TT＆C antenna measured on whole－spacecraft

圖2 整星測控天線增益方向圖仿真結(jié)果Fig.2 Gain of the TT＆C antenna simulated on whole－spacecraft

實際測試過程中，在星體與測試轉(zhuǎn)臺間用于架設(shè)星體的轉(zhuǎn)接支架上鋪設(shè)吸波材料，可減小轉(zhuǎn)接架的散射波對測試場均勻性的影響。但不能在星體上鋪設(shè)吸波材料，原因是須與實際應(yīng)用狀態(tài)保持一致。

2.4 極化形式判別

參加整星輻射特性測試的天線產(chǎn)品，其極化形式均由設(shè)計保證。有時受測試條件限制，承制單位在調(diào)試或交付過程中忽視驗證性測試。為防止裝星天線出現(xiàn)極化方式相反的現(xiàn)象，整星天線輻射特性測試必須包括極化方式判別，逐一對所有天線的極化方式作驗證性判別［6］。具體方法是：將與待測天線工作頻率相同、極化方式已知并相互正交的兩天線依次架設(shè)于發(fā)射端，發(fā)射被測天線工作頻率的信號，在規(guī)定的角度范圍內(nèi)分別測得被測天線接收到的信號電平，比較接收到的信號電平，高電平對應(yīng)的發(fā)射天線的極化方式即為被測天線的極化方式［7］。某衛(wèi)星數(shù)傳天線極化方式判別的測試結(jié)果如圖3所示。由圖可知：極化匹配狀態(tài)下被測天線接收到的信號電平明顯較高，且賦形波束形狀輪廓明晰、曲線起伏幅度小；極化失配狀態(tài)下賦形波束形狀模糊、曲線起伏幅度較大。

圖3 某數(shù)傳天線的極化方式判別測試結(jié)果Fig.3 Main／cross polarization patterns of a data transmission antenna

2.5 天線駐波比測試

天線性能與其結(jié)構(gòu)形式、尺寸和材料、邊界條件密切相關(guān)。正常情況下，結(jié)構(gòu)尺寸的微小變化對天線輻射特性（增益、波束寬度、相位、極化方式和軸比）的影響不明顯，但對阻抗特性（駐波比）的影響較明顯。因此，在單機狀態(tài)下詳細測試和整星狀態(tài)下考核性測試完成后，考慮到天線輻射特性測試需要專業(yè)測試場地且性能穩(wěn)定可靠等因素，在交付總體之后不再測試天線的輻射特性，僅對天線駐波比分階段進行功能性檢測。

衛(wèi)星研制過程中，力學(xué)和熱學(xué)試驗對天線結(jié)構(gòu)形式、尺寸和材料的穩(wěn)定性有影響。本文認為在所有星體外表面產(chǎn)品裝星電聯(lián)試前、力學(xué)振動試驗前、力學(xué)振動試驗后與熱真空試驗前、熱真空試驗后與整星出廠前、發(fā)射基地技術(shù)區(qū)電聯(lián)試前5個節(jié)點為天線駐波比檢測時機。

天線裝星后，星體的架設(shè)狀態(tài)（Z軸垂直地面）與整星輻射特性測試狀態(tài)（Z軸平行地面）完全不同，受架設(shè)工裝、電測工裝和地面反射等因素的影響，上述節(jié)點上測試的天線駐波比值各不相同，這使數(shù)據(jù)的比對產(chǎn)生麻煩，并存在一定的誤判風(fēng)險。設(shè)計師需根據(jù)天線產(chǎn)品特點，結(jié)合測試數(shù)據(jù)曲線相對變化量才能做出正確的判斷。根據(jù)經(jīng)驗，如天線駐波比測試結(jié)果在規(guī)定值內(nèi)且相對變化量小于0.15，可認為天線正常；如天線駐波比測試結(jié)果超出規(guī)定值或相對變化量超過0.15，則需根據(jù)測試環(huán)境、駐波曲線進一步排查，甚至將天線拆下檢查外觀和單獨測試，并與出廠測試數(shù)據(jù)比對。需強調(diào)的是，如不同狀態(tài)下的測試數(shù)據(jù)相同，表明天線確實存在故障，因該現(xiàn)象與電磁場理論不符。

3 結(jié)束語

整星天線性能測試已成為衛(wèi)星研制中重要的一環(huán)［8］。本文基于不同型號復(fù)雜衛(wèi)星多天線組合測試工作，分析了測試過程中的技術(shù)和問題。研究有助于衛(wèi)星總體對整星天線輻射特性測試的認識，可供從事飛行器天線研究人員參考。

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