秦順友，張志華

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

0 引言

天線相位中心是天線的重要性能指標之一[1]，在很多現(xiàn)代科學(xué)和工程應(yīng)用中，天線相位中心的位置起著非常重要的作用。例如在地面站反射面天線應(yīng)用系統(tǒng)中，饋源喇叭的相位中心必須精確安裝在反射面天線的焦點位置，確保反射面天線具有良好的性能[2]，這樣要求精確測量饋源喇叭的相位中心[3]；又如在星載合成孔徑雷達系統(tǒng)，采用天線相位中心偏移方位多波束技術(shù)提高方位分辨率[4]；再如在GNSS(Global Navigation Satellite System)應(yīng)用系統(tǒng)中，通過測量載波信號衛(wèi)星和地面站地之間的傳輸時延進行測距解算，而時延校準參考點是發(fā)射天線和接收天線的相位中心[5]，因此測量導(dǎo)航天線相位中心測量精度及其穩(wěn)定度直接關(guān)系到導(dǎo)航系統(tǒng)測距的解算精度[6]。對于衛(wèi)星導(dǎo)航天線，不僅關(guān)心天線的相位中心，而且其相位中心穩(wěn)定度亦是很重要的[7]。目前關(guān)于衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測量的文獻很多[8]，而相位中心穩(wěn)定度測量研究文獻很少。因此本文論述了導(dǎo)航測量型天線相位中心穩(wěn)定度的概念及其測量方法。

1 相位中心穩(wěn)定度

在IEEE標準中，天線相位中心定義為：存在與天線相關(guān)的一個點，如果將它作為輻射遠場的球面圓心，則輻射球面上給定場分量的相位應(yīng)基本是一個常數(shù)，至少在輻射的關(guān)鍵區(qū)域滿足[9]。相位中心可以簡單理解為天線輻射電磁波的輻射源中心；從數(shù)學(xué)上理解相位中心可描述為天線遠場區(qū)輻射場的等相位面的曲率中心。如果天線輻射的電磁波是一個球面波，在任意給定頻率下，使天線相位方向圖φ(θ,φ)與θ、φ無關(guān)的坐標原點,稱為球面波的相位中心，通常就是球心。反之，天線不同區(qū)域的等相位面有不同的曲率中心。

在整個空間，具有唯一相位中心的天線實際上是不多的，而絕大多數(shù)天線只在主瓣某一范圍內(nèi)或是以某點為參考點時，在所關(guān)心天線主波束一部分的角度范圍內(nèi)，天線的相位保持恒定，由此部分等相位面求出的相位中心，叫做天線的視在相位中心[10]。天線在不同切割面上可能有各自的相位中心，如果它們的相位中心不重合，說明天線有相散。通常采用折衷的方法，求出天線在空間不同切割面相位中心平均值，稱為天線的平均相位中心。

相位中心穩(wěn)定度定義為：由通過天線主波束相位峰峰值的一半所對應(yīng)的波程距離，稱為相位中心的穩(wěn)定度，用公式表示為：

(1)

式中：

Δm為天線相位中心的穩(wěn)定度；

Δφ為天線主波束相位方向圖的峰值起伏；

λ為工作波長。

由天線相位中心定義可知：天線不同切割面的相位中心位置是不同的，相應(yīng)地其相位中心的穩(wěn)定度是不同的。計算不同切割面相位中心穩(wěn)定度的平均值，稱為天線相位中心的平均穩(wěn)定度，它表征了天線相位中心在整個空域的特性。

2 相位中心穩(wěn)定度測量

天線相位中心穩(wěn)定度是通過測量天線相位方向圖來實現(xiàn)的，天線相位方向圖測量常用方法有：遠場測量方法、近場測量方法和緊縮場測量方法[11]。利用實測相位方向圖，確定天線相位中心位置常用方法有：移動參考點法[12]、關(guān)鍵點法(通常三點法或五點法)[13]、三天線法[14]和曲線擬合法(也稱最小二乘法)[15]。這里介紹在微波暗室遠場法測量衛(wèi)星導(dǎo)航測量型天線相位方向圖，利用移動參考點法確定天線相位中心的位置。

圖1為利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量導(dǎo)航測量型天線相位中心穩(wěn)定度的原理圖。圖中R為收發(fā)天線之間的測試距離，R應(yīng)滿足天線遠場測試距離條件，即R≥2D2/λ(D為待測天線最大尺寸，λ為工作波長)。圖中待測天線安裝在測試轉(zhuǎn)臺上，且轉(zhuǎn)臺具有平移裝置和極化軸旋轉(zhuǎn)裝置。平移裝置用于實現(xiàn)待測天線相對轉(zhuǎn)臺的方位軸前后或左右的移動，用來測量待測天線相位中心的位置；而極化軸旋轉(zhuǎn)裝置實現(xiàn)待測天線繞水平軸轉(zhuǎn)動，用于測量不同切割面的相位方向圖，確定天線不同切割面的相位中心位置。

圖1 導(dǎo)航天線相位中心穩(wěn)定度測量的原理

天線相位方向圖測量就是測量待測天線遠場區(qū)球面上的相位。相位是一個相對量，不論在什么情況下，都是將待測信號與基準信號比較獲得相對相位值。

在微波暗室，利用移動參考點法測量導(dǎo)航天線相位中心穩(wěn)定度的原理方法是：首先按照圖1所示的原理圖建立測試系統(tǒng)，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的相位方向圖，依據(jù)在天線主波束范圍內(nèi)所測量的相位方向圖形狀，確定天線相位中心參考點移動方向[16]，重復(fù)測量天線相位方向圖，直到在所測量的天線主波束范圍內(nèi)，測出的相位方向圖特性等相位為止或滿足相位波動要求，此時天線的相位中心與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸重合，用機械的方法測定天線相位中心的位置[17]；測定天線相位中心位置以后，然后轉(zhuǎn)動切割面，同理完成天線不同切割面的相位中心位置的測量。實際上，天線不同切割面的相位中心位置可能不一致，甚至相差較大，此時精確測量出不同切割面相位中心的位置，采用折衷方法，求出天線平均相位中心位置。最后，重新安裝天線，使天線轉(zhuǎn)臺中心與測量的天線平均相位中心位置重合，測量天線不同切割面的相位方向圖，微調(diào)相位中心的位置，直到在測量的主波束角度范圍內(nèi)，所有不同切割面相位方向圖的起伏均達到要求值為止。

利用實際測量的不同切割面的相位方向圖，求出在關(guān)注的測量主波束角度范圍，天線相位方向圖波動的最大值和最小值。不同切割面相位波動的最大值分別用φmax1，φmax2，……φmaxN表示，最小值分別用φmin1，φmin2，……φminN表示，則不同切割面相位中心穩(wěn)定度為：

(2)

天線相位中心的平均穩(wěn)定度為：

(3)

3 測量實例與分析

以一個測量型導(dǎo)航天線相位中心穩(wěn)定度測量為例，說明導(dǎo)航測量型天線相位中心穩(wěn)定度測量原理和方法。

圖2為一個測量型導(dǎo)航天線，該天線工作于1 157～1 278 MHz和1 557～1 612 MHz兩個頻段，覆蓋GPS的L1/L2波段、GLONASS的L1/L2波段和BDS的B1/B2/B3 波段，天線極化為右旋圓極化，天線采用多饋點和完全對稱的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)天線相位中心與幾何中心的重合，實現(xiàn)高精度測量；該天線增益高，方向圖波束寬，對低仰角的導(dǎo)航衛(wèi)星信號接收效果好。

圖2 測量型導(dǎo)航天線

圖3為在微波暗室測量衛(wèi)星導(dǎo)航測量型天線的實際裝置圖。圖中發(fā)射天線和待測天線均為導(dǎo)航測量型天線，其區(qū)別是待測天線為有源天線，即低噪放大器與天線單元集成在一起，而發(fā)射天線為無源天線，天線工作頻段和極化是一樣的。這樣使用的目的是減少微波暗室多重反射對測量結(jié)果的影響，因為發(fā)射天線發(fā)射右旋圓極化波，微波暗室一次發(fā)射為左旋圓極化波，從而減少測試環(huán)境反射的影響。

圖3 導(dǎo)航天線相位中心穩(wěn)定度測量裝置

實驗時，首先通過測量不同切割面相位方向圖，確定不同切割面相位中心位置，計算出導(dǎo)航測量型天線的平均相位中心的位置；然后調(diào)整天線平均相位中心位置與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)中心重合，測量不同切割面的相位方向圖。圖4給出了測試頻率為1 207 MHz，在0°切割面、22.5°切割面、45°切割面、67.5°切割面以及90°切割面的相位方向圖。表1給出了在天線主波束±50°角度范圍內(nèi)，天線相位中心穩(wěn)定度測量結(jié)果。由測量不同切割面天線相位中心穩(wěn)定度可獲得天線相位中心平均穩(wěn)定度≤±2.31 mm。

圖4 頻率為1 207 MHz的不同切割面的相位方向

表1 頻率為1 207 MHz的相位中心穩(wěn)定度測量結(jié)果

切割面/(°)φmax/(°)φmin/(°)Δmcut /mm04.293-1.4141.9722.54.500-1.3702.0345.05.395-0.9842.2067.56.185-1.2502.5790.07.405-0.6952.80

圖5給出了測試頻率為1 602 MHz，在0°切割面、22.5°切割面、45°切割面、67.5°切割面和90°切割面的相位方向圖。表2給出了在天線主波束±50°角度范圍內(nèi)，天線相位中心穩(wěn)定度測量結(jié)果。由測量不同切割面天線相位中心穩(wěn)定度可獲得天線相位中心平均穩(wěn)定度≤±1.01 mm。

實驗結(jié)果表明：在不同切割面，天線相位中心及其穩(wěn)定度是不同的。

圖5 頻率為1 602 MHz不同切割面的相位方向

表2 頻率為1 602 MHz的相位中心穩(wěn)定度測量結(jié)果

切割面/(°)φmax/(°)φmin/(°)Δmcut/mm01.785-3.3071.3222.51.979-2.1841.0845.01.604-0.5210.5567.52.355-0.5910.7790.04.166-0.9551.33

4 結(jié)束語

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是通過時延測量實現(xiàn)測距的，而天線相位中心為時延測量基準點，因此衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測量精度及其穩(wěn)定度直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。本文簡述了利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量導(dǎo)航天線相位中心及其穩(wěn)定度的原理方法，提出通過測量不同切割面的相位方向圖來確定天線相位中心穩(wěn)定度的方法，對衛(wèi)星導(dǎo)航天線相位中心測量，特別是相位中心穩(wěn)定度測量具有重要的參考價值。