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(jìn)行整星天線輻射特性測試。

確定星載天線安裝位置時(shí)，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(jì)師給出初步布局，再進(jìn)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(duì)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(jī)構(gòu)研制，而天線的性能指標(biāo)是在整星狀態(tài)下考核的，部分指標(biāo)（如天線間隔離度）無法在單機(jī)狀態(tài)下測試獲得，為滿足衛(wèi)星總體要求須進(jìn)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(duì)天線輻射特性的影響程度，驗(yàn)證天線的布局設(shè)計(jì)合理性、整星天線輻射特性仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的符合性，考核衛(wèi)星總體對(duì)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(jìn)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(shí)，星體、天線和周圍安裝的設(shè)備均為理想模型，而實(shí)際裝星天線產(chǎn)品與理想天線模型存在差異，同時(shí)仿真中對(duì)周圍設(shè)備所用復(fù)合材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)會(huì)作等效和簡化處理。因同一結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)天線輻射增益方向圖仿真結(jié)果影響較小，但對(duì)與相位有關(guān)的軸比、干涉區(qū)的影響卻較大，仿真只能對(duì)存在的干涉和遮擋等進(jìn)行預(yù)估，不能準(zhǔn)確反映天線的真實(shí)性能，不可替代整星天線輻射特性測試。第四，天線承制機(jī)構(gòu)是以天線單機(jī)研制為主，考慮研制成本，無法由每個(gè)單位制作一個(gè)模擬星體對(duì)其研制的天線進(jìn)行測試，且各研制機(jī)構(gòu)的測試場地性能、測試設(shè)備自動(dòng)化程度和測試精度存在差異，特別是當(dāng)天線某個(gè)性能指標(biāo)為臨界值時(shí)，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(jìn)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(diǎn)采樣測試技術(shù)的發(fā)展，天線測試設(shè)備的自動(dòng)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(shí)間已由過去40多天壓縮到現(xiàn)在的20d左右。為此，本文對(duì)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(jìn)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(yàn)，正常情況下不再進(jìn)行第二次測試。為確保天線性能的測試結(jié)果真實(shí)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(jì)完成并通過評(píng)審，參試天線產(chǎn)品完成各項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)，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(jì)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(xì)則通過評(píng)審。因此，整星天線輻射特性測試最佳時(shí)機(jī)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(duì)稱，且周向輻射均勻，因此需測試星載天線多切面方向圖進(jìn)行驗(yàn)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(shí)考慮了波束軸向旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形式，體積小、質(zhì)量輕，且整星天線輻射特性測試為驗(yàn)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(gè)俯仰面方向圖，對(duì)幅度均勻度要求高的天線可每隔5°～10°測試一個(gè)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(gè)主切面，適當(dāng)增加有嚴(yán)重遮擋物方向的測試切面，并通過隨機(jī)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(bǔ)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(yán)重失配而接收不到信號(hào)等問題，星載天線多要求輻射圓極化電磁波。對(duì)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(jī)靈敏度的提高，信號(hào)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(bǔ)償，這可解決天線單獨(dú)測試時(shí)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(hào)鏈路電平的計(jì)算（地面接收站天線軸比為1dB時(shí)，引起的極化損失恰為0.5dB），嚴(yán)格來說計(jì)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(biāo)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(biāo)相互關(guān)聯(lián)，除功率容量單獨(dú)考核外，其他指標(biāo)均可在整星上測試。測試必然涉及誤差，對(duì)寬波束、低增益、圓極化和低駐波的衛(wèi)星平臺(tái)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(biāo)的測試誤差已達(dá)可接受程度，增益和軸比的測試誤差成為主要關(guān)注對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)測增益較真實(shí)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(jí)，相對(duì)純圓極化必會(huì)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(shí)由于無純圓極化標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭定標(biāo)，通過線極化標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭對(duì)水平和垂直兩次測試值進(jìn)行合成定標(biāo)，存在天線軸對(duì)不準(zhǔn)引起的誤差。由此兩部分引起的實(shí)測增益較真實(shí)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(dòng)，量級(jí)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(hào)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(jí)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(jī)構(gòu)中才能滿足，多數(shù)工程研究機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)。因此，為便利和避免繁瑣分析計(jì)算，工程技術(shù)人員在增益測試時(shí)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(jī)記錄的相對(duì)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(jī)記錄兩次接收到的信號(hào)幅相值，由數(shù)值計(jì)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(jí)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(jí)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(rèn)為其不是天線軸比的真實(shí)值，因?yàn)檩椛潴w上電流的連續(xù)性電磁場不會(huì)產(chǎn)生突變，且天線單獨(dú)測試中一般無此現(xiàn)象。這主要是由測試過程中測試信號(hào)源的短暫不穩(wěn)、轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備的抖動(dòng)、測試場受到瞬間干擾或星上其他設(shè)備在某個(gè)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(dòng)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(duì)天線的輻射方向圖造成干涉，形成輻射的啞點(diǎn)或盲區(qū)，在地面站天線波束指向干涉區(qū)時(shí)，造成星地信號(hào)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(shí)，可用以下方法解決。

a）檢查所有待測天線是否連接匹配負(fù)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(fù)載吸收，反射后重新輻射，必然對(duì)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?yàn)樗赡鼙患?lì)，變?yōu)樘炀€進(jìn)行輻射，對(duì)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(dá)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(qiáng)反射，對(duì)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(duì)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(shí)微波網(wǎng)絡(luò)的功分比采用理論值，未計(jì)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(duì)地面天線連接電纜實(shí)測損耗1.5dB（3m），對(duì)天面連接電纜實(shí)測損耗2.55dB（5.5m），微波網(wǎng)絡(luò)通道實(shí)測損耗0.4dB。

由圖1可知：天線單獨(dú)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(duì)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(hào)出現(xiàn)起伏。但對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行幅值符合性比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)仿真方向圖曲線也存在起伏。據(jù)此認(rèn)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(jìn)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(shí)際測試過程中，在星體與測試轉(zhuǎn)臺(tái)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(duì)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(shí)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(jì)保證。有時(shí)受測試條件限制，承制單位在調(diào)試或交付過程中忽視驗(yàn)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(duì)所有天線的極化方式作驗(yàn)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(hào)，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(hào)電平，比較接收到的信號(hào)電平，高電平對(duì)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(hào)電平明顯較高，且賦形波束形狀輪廓明晰、曲線起伏幅度??；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(duì)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(duì)阻抗特性（駐波比）的影響較明顯。因此，在單機(jī)狀態(tài)下詳細(xì)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(duì)天線駐波比分階段進(jìn)行功能性檢測。

衛(wèi)星研制過程中，力學(xué)和熱學(xué)試驗(yàn)對(duì)天線結(jié)構(gòu)形式、尺寸和材料的穩(wěn)定性有影響。本文認(rèn)為在所有星體外表面產(chǎn)品裝星電聯(lián)試前、力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)前、力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)后與熱真空試驗(yàn)前、熱真空試驗(yàn)后與整星出廠前、發(fā)射基地技術(shù)區(qū)電聯(lián)試前5個(gè)節(jié)點(diǎn)為天線駐波比檢測時(shí)機(jī)。

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(diǎn)上測試的天線駐波比值各不相同，這使數(shù)據(jù)的比對(duì)產(chǎn)生麻煩，并存在一定的誤判風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)師需根據(jù)天線產(chǎn)品特點(diǎn)，結(jié)合測試數(shù)據(jù)曲線相對(duì)變化量才能做出正確的判斷。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如天線駐波比測試結(jié)果在規(guī)定值內(nèi)且相對(duì)變化量小于0.15，可認(rèn)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(duì)變化量超過0.15，則需根據(jù)測試環(huán)境、駐波曲線進(jìn)一步排查，甚至將天線拆下檢查外觀和單獨(dú)測試，并與出廠測試數(shù)據(jù)比對(duì)。需強(qiáng)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(shí)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(hào)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(duì)整星天線輻射特性測試的認(rèn)識(shí)，可供從事飛行器天線研究人員參考。

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