李 兵，聶洪平，魏春明

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431）

船載接收機(jī)跟蹤性能與溫度相位穩(wěn)定性分析

李 兵，聶洪平，魏春明

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431）

針對(duì)船載單脈沖數(shù)字接收機(jī)跟蹤性能受溫度相位穩(wěn)定性影響的問(wèn)題，分析了影響數(shù)字接收機(jī)相位變化的原因，并從理論上分析了同軸電纜溫度相位穩(wěn)定性與接收機(jī)跟蹤性能之間的關(guān)系。基于工程試驗(yàn)和設(shè)備特點(diǎn)，提出了船載單脈沖接收機(jī)2種相位校準(zhǔn)應(yīng)對(duì)策略，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證具有一定可行性。該研究成果為船載接收機(jī)動(dòng)態(tài)校相和跟蹤性能研究提供參考。

船載；接收機(jī)；溫度相位穩(wěn)定性；同軸電纜

0 引言

單脈沖單通道數(shù)字接收機(jī)作為船載衛(wèi)通站天線自跟蹤系統(tǒng)的必備條件之一，是完成海上通信任務(wù)的重要保證，而接收機(jī)相位是否精準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)天線穩(wěn)定跟蹤的前提。針對(duì)目前海上動(dòng)態(tài)校相難度大，無(wú)法為跟蹤接收機(jī)提供一個(gè)精準(zhǔn)可靠的相位值［1］。因此，碼頭靜態(tài)條件下的校相精度與校相方法非常關(guān)鍵［2］。船載衛(wèi)通站工作環(huán)境惡劣，跟蹤接收機(jī)的相位經(jīng)常會(huì)高頻箱溫度、和差網(wǎng)絡(luò)之前通道等因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)碾姎忾L(zhǎng)度（與相位相關(guān)）發(fā)生相應(yīng)變化，使接收機(jī)原始校相值與當(dāng)前傳輸通道不匹配，產(chǎn)生了交叉耦合，影響了接收機(jī)對(duì)誤差電壓的解調(diào)，最終導(dǎo)致天線跟蹤不穩(wěn)定。針對(duì)該問(wèn)題，筆者應(yīng)用同軸電纜溫度相位穩(wěn)定性原理，結(jié)合工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了2種可行的應(yīng)對(duì)策略，為船載單脈沖數(shù)字接收機(jī)相位校準(zhǔn)提供了一種行之有效的方法。

1 溫度相位穩(wěn)定性對(duì)天線跟蹤的影響

1.1 接收機(jī)相位變量因子

船載衛(wèi)通站跟蹤接收機(jī)采用單通道單脈沖跟蹤體制，饋源網(wǎng)絡(luò)采用TE11模為和模，TE21模為差模，在差支路中將俯仰誤差信號(hào)ΔEL和方位誤差信號(hào)ΔAZ正交相加變成差信號(hào)。由多模饋源理論［3］得可知差信號(hào)向量關(guān)系如圖1所示。

圖1 差信號(hào)向量關(guān)系

由以上向量關(guān)系可以得出和、差信號(hào)的表達(dá)式如下［4］：

1.2 同軸電纜溫度相位穩(wěn)定性原理

船載衛(wèi)通站跟蹤系統(tǒng)對(duì)同軸電纜有嚴(yán)格的要求，同軸電纜要有良好的相位穩(wěn)定性，以滿足天線跟蹤性能的需求。同軸電纜在不同的環(huán)境溫度下，內(nèi)外導(dǎo)體金屬的線伸脹引起的機(jī)械長(zhǎng)度變化及絕緣材料的等效介電常數(shù)變化是引起相移常數(shù)變化的2個(gè)因素［6］，從而導(dǎo)致接收機(jī)總相位的變化，進(jìn)而影響天線的跟蹤性能。

由文獻(xiàn)［7］知，同軸電纜初始相位和溫度之間存在如下關(guān)系：

1.3 跟蹤性能與相位穩(wěn)定性分析

跟蹤接收機(jī)校相是利用調(diào)制電路中的移相器來(lái)消除進(jìn)入和差網(wǎng)絡(luò)的差信號(hào)與和信號(hào)的初始相位差γ，使得γ－γΔ＝0的目的，其中γΔ為移相器調(diào)整的角度，以確保接收機(jī)解調(diào)出的和、差信號(hào)相位差能真實(shí)反映天線電軸偏離衛(wèi)星的角度，保證解調(diào)出來(lái)兩軸誤差電壓不含交流分量，使交叉耦合參數(shù)滿足指標(biāo)要求。

接收機(jī)誤差電壓解調(diào)過(guò)程：對(duì)差信號(hào)進(jìn)行0／π調(diào)相，調(diào)制信號(hào)是角頻率為Ω的方波信號(hào)，調(diào)相后，差信號(hào)的載波被抑制，只有奇數(shù)邊頻，能量集中在邊頻上。此調(diào)制信號(hào)與和信號(hào)相加后，經(jīng)放大、變頻、鎖相和濾波后變成穩(wěn)定的中頻ωr。在鎖相、幅度檢波中，利用超外差鎖相環(huán)的窄帶濾波跟蹤特性，使環(huán)路鎖定在參考源頻率上，這樣和信號(hào)的頻率與相位與參考源保持固定。而后利用參考源來(lái)完成幅度同步檢波、誤差信號(hào)解調(diào)。

根據(jù)式（1）和式（2），設(shè)天線饋源產(chǎn)生只有方位誤差，俯仰誤差信號(hào)為零，則檢波出應(yīng)有ΔEL＝0；如果γ≠γΔ，γ≠γΔ＋nπ，n為整數(shù)，再由接收機(jī)誤差電壓解調(diào)原理可得：

因?yàn)閟inφ＝0，

由式（5）和式（6）可以看出：ΔEL≠0，ΔAZ有信號(hào)損失，且電壓降為原有的cos( γ－γΔ)倍，產(chǎn)生了交叉耦合。交叉耦合：

假設(shè)天線饋源產(chǎn)生只有俯仰誤差，方位誤差信號(hào)為零，則檢波出應(yīng)有ΔAZ＝0；如果γ≠γΔ，γ≠γΔ＋nπ，n為整數(shù)，同理可得，ΔAZ≠0，ΔEL有信號(hào)損失，電壓降為原有的cos（γ－γΔ）倍，同樣產(chǎn)生了交叉耦合。

根據(jù)以上分析，當(dāng)同軸電纜溫度穩(wěn)定性較好，接收機(jī)相位校不準(zhǔn)，解調(diào)出的誤差電壓會(huì)存在cos（γ－γΔ）倍的偏差；若接收機(jī)相位已校準(zhǔn)，但同軸電纜溫度相位穩(wěn)定性較差，同樣會(huì)引起接收機(jī)相位的變化，從而影響天線跟蹤性能。

2 相位調(diào)整策略

2.1 工程試驗(yàn)法

在碼頭期間，高頻箱內(nèi)溫度為12℃，工作人員首次對(duì)船載衛(wèi)通站跟蹤接收機(jī)進(jìn)行校相，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 跟蹤接收機(jī)參數(shù)

由表1可以看出，在高頻箱溫度為12℃條件下，工作人員對(duì)A衛(wèi)星進(jìn)行接收機(jī)校相的結(jié)果，在此情況下天線跟蹤穩(wěn)定，接收機(jī)誤差電壓值均小于0.2 V。

當(dāng)高頻箱溫度變?yōu)?1℃時(shí)，天線跟星時(shí)發(fā)現(xiàn)跟蹤不平穩(wěn)。工作人員初步判斷是高頻箱內(nèi)溫度影響了接收機(jī)相位，后續(xù)，對(duì)跟蹤接收機(jī)相位進(jìn)行了調(diào)整，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 跟蹤接收機(jī)參數(shù)

與表1相比，高頻箱溫度增加了19℃，在2次校相中，場(chǎng)放組合相同，表2中跟蹤接收機(jī)A、E兩軸與表1中A、E兩軸的相位差值均在16.8°～23.2°。因此可以判定，高頻箱溫度的變化的確會(huì)影響接收機(jī)相位值，導(dǎo)致交叉耦合，影響了天線的正常跟蹤。

由以上試驗(yàn)可知，影響接收機(jī)相位變化的主要因素是和差網(wǎng)絡(luò)前信號(hào)傳播的通道變化，即同軸電纜的相位會(huì)隨溫度變化而變化，影響了接收機(jī)對(duì)誤差電壓的解調(diào)。同軸電纜相位隨溫度T變化的關(guān)系式為［7］：

式中，φ為電纜的相位；T為溫度；L為電纜長(zhǎng)度；εe為電纜絕緣的等效介電常數(shù)。由式（9）可知相位溫度變化率由電纜機(jī)械長(zhǎng)度伸脹率與等效介電常數(shù)變化率等兩者組合而成。

根據(jù)以上變量關(guān)系和數(shù)據(jù)擬合原理得出，接收機(jī)相位調(diào)整原則為溫度升高和降低時(shí)，相位也相應(yīng)增加和減小，調(diào)整比例大概是1∶1.24，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)，確保天線能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定跟蹤。因此，在高頻箱溫度出現(xiàn)較大變化時(shí)，需要及時(shí)校相。

在海上期間，工作人員進(jìn)行跟星，接收機(jī)能夠鎖定信號(hào)，但是天線控制單元界面的誤差電壓曲線不平穩(wěn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)示波器上李薩如圖形［8］出現(xiàn)逆時(shí)針畫(huà)圈現(xiàn)象，天線跟蹤不穩(wěn)定，誤差電壓均＞0.5 V。查看高頻箱溫度情況，其值為13℃，溫度與表3相比變化了18℃，工作人員判定是溫度驟變?cè)俅螌?dǎo)致了接收機(jī)相位變化。其后，根據(jù)以上調(diào)整原則，調(diào)整后的接收機(jī)相位如表3所示。在變化后的狀態(tài)下，天線進(jìn)行了重新捕獲衛(wèi)星，跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定，誤差電壓＜0.3 V，李薩如圖形逆時(shí)針畫(huà)圈現(xiàn)象消失，接收機(jī)跟蹤穩(wěn)定性有了明顯改善。

表3 跟蹤接收機(jī)參數(shù)

在后續(xù)任務(wù)中，高頻箱溫度又回升到30℃時(shí)，接收機(jī)跟蹤又出現(xiàn)跟蹤不穩(wěn)定現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)示波器上李薩如圖形出現(xiàn)順時(shí)針畫(huà)圈現(xiàn)象，工作人員又對(duì)接收機(jī)相位重新調(diào)整如表4所示，天線跟蹤恢復(fù)平穩(wěn)。

表4 跟蹤接收機(jī)參數(shù)

在此條件下，對(duì)4種場(chǎng)放組合下的跟蹤接收機(jī)進(jìn)行了自跟蹤拷機(jī)試驗(yàn)，誤差電壓均小于0.3 V，跟蹤穩(wěn)定。

2.2 李薩如圖形法

李薩如圖形在船載衛(wèi)通天線跟蹤系統(tǒng)中利用雙通示波器觀察跟蹤接收機(jī)解調(diào)誤差信號(hào)的矢量軌跡［9］。

李薩如圖形能直觀地反映天線跟蹤的精度和穩(wěn)定狀態(tài)，顯示的是接收機(jī)解調(diào)出的方位和俯仰電壓誤差的矢量圖，而且還能記憶跟蹤狀態(tài)軌跡，為監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)比較理想的手段。根據(jù)長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，工作人員可根據(jù)誤差電壓2路信號(hào)繪出的李薩如圖形旋轉(zhuǎn)方向來(lái)判斷相位的變化情況［10］，當(dāng)高頻箱溫度下降時(shí)，李薩如圖形出現(xiàn)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；當(dāng)溫度升高時(shí)，則李薩如圖形繞順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。天線跟蹤衛(wèi)星時(shí)的李薩如圖形如圖2所示。

圖2 李薩如圖形

在溫度變化時(shí)，接收機(jī)相位發(fā)生變化，工作人員可根據(jù)李薩如圖形旋轉(zhuǎn)方向［4］調(diào)整接收機(jī)相位，具體調(diào)整量與旋轉(zhuǎn)半徑成正比例關(guān)系，具體方法如下：當(dāng)李薩如圖形逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)對(duì)接收機(jī)兩軸相位值相應(yīng)減小；當(dāng)李薩如圖形順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)對(duì)接收機(jī)兩軸相位值相應(yīng)增加。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)船載單通道單脈沖數(shù)字接收機(jī)相位穩(wěn)定性問(wèn)題，本文結(jié)合工程實(shí)踐，從理論上分析了同軸線纜溫度相位穩(wěn)定性對(duì)接收機(jī)相位的影響，掌握了溫度相位穩(wěn)定性與相位之間的變化規(guī)律及應(yīng)對(duì)策略，對(duì)接收機(jī)動(dòng)態(tài)條件下的相位校準(zhǔn)和同軸電纜溫度相位穩(wěn)定理論研究具有指導(dǎo)意義，為設(shè)備性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

［1］林習(xí)良，趙乾宏，周錦標(biāo).線極化衛(wèi)星異地校相方法研究［J］.無(wú)線電工程，2009，39（11）：58－60.

［2］胡晉東.跟蹤雷達(dá)的校相研究［J］.中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008（6）：635－638.

［3］黃玉蘭.電磁場(chǎng)與微波技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［4］趙 鴻，余曉川，王珊珊.跟蹤接收機(jī)的理論分析與方案設(shè)計(jì)［J］.空間電子學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2006：503－508.

［5］沈民誼，蔡鎮(zhèn)遠(yuǎn).衛(wèi)星通信天線、饋源、跟蹤系統(tǒng)［M］.北京：人民郵電出版社，1993.

［6］張 陽(yáng).影響射頻同軸電纜衰減的因素［J］.通信線路，2008（3）：61－63.

［7］李慶和.同軸電纜的溫度相位穩(wěn)定性及其影響因素分析［J］.電線電纜，2007（2）：25－26.

［8］鄭俊達(dá).基于李薩如圖形的相位測(cè)量及實(shí)現(xiàn)［J］.科研發(fā)展，2012（2）：80－81.

［9］楊繼先，李薩如圖形的性質(zhì)研究［J］.西華大學(xué)學(xué)，2008，27（6）：98－100.

［10］楊繼先，相互垂直的諧振動(dòng)合成軌跡研究［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，27（2）：76－82.

Analysis of Tracking Performance and Temperature Phase Stability of Shipboard Receiver

LI Bing，NIE Hong-ping，WEI Chun-ming
（China Satellite Marine Tracking and Control Department，Jiangyin Jiangsu 214431，China）

To address the issue that the tracking performance of shipboard mono-pulse digital receiver is affected by the tempera-ture phase stability，the reason for digital receiver phase variation is analyzed，and the relationship between coaxial cable temperature phase stability and tracking performance is analyzed theoretically.Based on engineering test and the characteristics of equipment，two phase calibration strategies for shipboard mono-pulse receiver are proposed.The feasibility is validated by experiment.The results provide a reference for the study of shipboard receiver dynamic phase alignment and tracking performance.

shipboard；receiver；temperature phase stability；coaxial cable

TN927

A

1003－3106（2015）10－0034－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.09

李 兵，聶洪平，魏春明.船載接收機(jī)跟蹤性能與溫度相位穩(wěn)定性分析［J］.無(wú)線電工程，2015，45（10）：34－37.

李 兵男，（1985—），工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信。

2015-07-20

聶洪平男，（1987—），工程師。主要研究方向：衛(wèi)星通信。