双通道角跟踪设备的近场相位校准研究

习 靖

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

目前航天测控系统中的自跟踪通常采用差模跟踪［1］体制，利用差模电场方向图在天线轴线方向为零，在偏离轴线方向上具有极性非零值来实现跟踪。在上述跟踪系统中，跟踪接收机和差通道的相位差必须控制在一定的范围内才能保证跟踪的稳定性，测控设备执行任务前需要对和差通道相位差进行标校与调整(以下简称校相)。随着天线口径的加大和工作频段的提高，校相所需要的远场［2］条件越来越难以满足，导致设备在对塔校相后对塔跟踪性能良好，对卫星跟踪后系统定向灵敏度及交叉耦合系数变差，从而引起系统跟踪不稳定的问题［3］。针对该问题研究了多模馈源、双通道单脉冲跟踪系统天线和、差口对源天线辐射场的近场响应［4］，得出由于天线感应电压引入的附加相位差和标校距离的关系曲线，并给出了不同工作频段的双通道单脉冲跟踪设备相位校准修正值。为解决设备近场标校问题提供相关技术参考。

1 自跟踪原理及数学模型

航天测控系统的自跟踪设备一般采用连续波信号体制，它利用多模馈源对飞行器辐射信号所激励和模信号的单峰特性和激励差模信号的双峰特性来实现对飞行器目标的自动跟踪［5－7］。

假定测控天线(跟踪天线)电轴偏离飞行目标一个小角度θ，并且θ在跟踪天线直角坐标平面内与天线方位轴的夹角为β。那么信标信号在馈源内激励的和模与差模信号可以分别表示为:

式中，μ为天线差斜率(设定为常数);ω为信标信号角频率;t为时间变量;E1为和模信号幅度;E2为差模信号幅度。

显然，式(2)中θcosβ和θsinβ就是天线电轴偏离目标θ角在天线直角座标系方位轴A和俯仰轴E上产生的角误差信息。也就是说天线偏离目标所产生的差模信号EΔ中既包含了偏离目标的方位角度信息，又包含了偏离目标的俯仰角度信息。角误差信号示意图如图1所示。

图1 角误差信号示意

天线多模馈源激励的和模与差模信号EΣ和EΔ被分别馈入跟踪接收机的和、差信道，进行放大、变频和A/D变换;其中EΣ信号经过数字中频接收机跟踪滤波，产生2路正交的I、Q信号:

而另一路数字化后的差信号，被和信号进行幅度归一化和相位归一化处理后，表示为:

式中，ω1为ω变频后的信号角频率;E3为与E1相应的信号幅度;E4为与E2相应的信号幅度;φ1为和信道设备引起的信号相移;φ2为差信道设备引起的信号相移。

角误差信号的解调过程可表示为:

2路解调信号分别经过低通滤波后，输出方位、俯仰角误差信号的HT表达式为:

式中，E5=1/2E3E4。

从式(8)和式(9)可以看出:ΔuA中含有 ΔuE的信号分量，ΔuE中含有ΔuA的信号分量。这2个信号分量称交叉耦合信号。经过自跟踪设备的标校后，使表达式中的φ1与φ2的差值为零时，就可以获得真实的角误差信号为:

将角误差信号ΔuA和ΔuE馈入伺服设备，驱动天线朝着角误差信号减少的方向运动，直至ΔuA、ΔuE为零，就实现了天线对目标的自跟踪。

2 天线近场响应

2.1 接收天线对源天线的近场响应

在三维系统中，一般可以利用Robieux定理，通过计算复数传输系数来确定2个天线间的耦合关系，并依此研究一个天线对另外一个天线辐射场的响应［8］。但因为坐标系比较复杂，所以定量研究源天线口径的尺寸对响应的影响是困难的。

天线和、差口对近场源天线的响应由天线近场辐射场以及源天线口径场点乘决定。但是要进行详细计算非常麻烦，可以对其进行进一步简化:假设源天线为各向同性的点源天线(工程应用中，一般采用波瓣宽度远远大于跟踪天线的波瓣宽度的宽波束天线作源天线，完全可以做这种假设)，向四周辐射均等，其口径特性不对接收天线构成影响。

有了以上假设后，天线对源天线辐射场的近场响应实际上就是其近场方向图。

2.2 卡塞格伦天线的近似处理

卡塞格伦天线在航天测控系统中应用广泛，计算卡氏天线的辐射场可以分别计算馈源、副反射面和主反射面的辐射场，但这种方法计算过于复杂，计算量太大，同时不适合用口径场积分法计算。所谓的等效方法是先将卡氏天线等效为普通的抛物面天线，然后计算其辐射特性。传统的等效方法分为等效馈源法和等效抛物面法。

等效馈源法是将馈源与副反射面组合成一个虚馈源并放置在主面焦点上;等效抛物面法是用一个口径与主面相同的抛物面代替主、副反射面，馈源不变，改变的是焦距。与等效馈源法相比，等效抛物面法不改变馈源辐射场，等效抛物面天线和实际反射面天线的口径场分布相同，没有增大计算的复杂程度，因此本文采用该种方法等效。

等效后，卡塞格伦天线的和、差方向图可表示为［9］:

Es(u)为天线和方向图;ED(u)为天线差方向图;aR为被测天线的口径半径;aH为馈电喇叭的口径半径;F为卡氏天线的等效焦距。

3 双通道角跟踪设备近场校相分析

3.1 和差通道相差的测量方法

对于采用数字基带技术的中频接收机来说，测量相位差比较容易，一般测控设备中有2种测量方法［10］:相位法和幅度法。

3.1.1 相位法

在数字接收机中，采集差通道的I、Q支路数据x(k)、y(k)，做数学运算φ =arctan，可求得和差通道相差与目标空间相位之和β+Δφ，在校相时，可根据天线实际空间位置，算得Δφ。

3.1.2 幅度法

在测角天线控制单元中，采集方位、俯仰误差电压数据ΔuA、ΔuE，做数学运算φ =arctan可求得和差通道相差与目标空间相位之和β+Δφ。同样，可根据天线实际空间相对于天线方位俯仰轴的位置，算得Δφ。

3.2 天线近场感应引入和差信道相位差仿真分析

近场标校的情况下，接收天线和、差方向图的相对相位较远场发生变化，导致接收天线馈源和、差口对源天线辐射场的近场响应的相对相位发生变化，主要表现在近场条件下和、差口对来波信号的感应电压之间的相位差使和差通道的相位差发生变化。天线对源天线辐射场的近场响应导致天线和、差口对来波信号的感应电压之间出现附加相位差。对卡塞格伦天线的近场方向图进行分析和仿真，研究天线近场和差方向图的相对相位，得出了天线近场和差方向图的相对相位差与距离的关系。

图2是S频段12 m天线工作频率为2250 MHz的和差口相对相位差与距离的仿真曲线，图中R为信标天线与标校天线的距离，R0=2D2/λ为满足远场条件的距离。

理想情况下，和差相位差为0°或180°，实际工程中用到的校相公式都是在理想情况下推导的。工程中由于实际条件的限制在任务前对设备校相时，一般都是在近场条件下进行的系统校相时，基带设备的移相值包含了由于天线感应电压引入的附加相位差，而跟踪卫星时，附加相位差很小，导致近场校相后跟踪真实目标时精度变差。

图2 天线和差口相对相位差与距离的关系

通过研究天线的近场方向图可以计算出天线近场条件下和差口相对相位差与距离的关系，这样就可以得出和差通道实际的相位调整值和设备测出的相位调整值之间的关系，即

式中，Δφ真为设备实际应调整的和差通道相位差;Δφ测为设备测量的和差通道相位差;Δφ近场为近场耦合导致的和差通道相位差。

3.3 验证

实际工程中对上述修正进行了验证。天线距标校塔距离为726 m，为远场距离的1/3左右。对比结果如表1所示。

表1 实际工程与仿真比对结果

通过表1可以看出，实际结果与工程结果相符，实际工程中，可以按照本文的方法对校相结果进行修正。

4 结束语

航天测控系统工程中由于不能满足远场条件，导致设备在对塔校相后对塔跟踪性能良好，对卫星跟踪后系统定向灵敏度及交叉耦合系数变差，从而引起系统跟踪不稳定的问题。本文针对该问题，通过理论和仿真的方法，分析了近场校相时导致和差相位相移值不准的原因，并给出了S频段相位修正曲线。对实际工程中解决近场标校问题提供相关技术参考。 ■

［1］赵业福.无线电跟踪测量［M］.北京:国防工业出版社，2003:10－20.

［2］毛乃宏，俱新德.天线测量手册［M］.北京:国防工业出版社，1987:1－30.

［3］毛南平，从 波，段庆光，等.近场效应对一种C频段统一测控雷达角度标校数据的影响分析［J］.电讯技术，2008(4):65－68.

［4］JULL J V.An Investigation of Near-Field Radiation Patterns Measured with Large Antennas［J］.IRE Transactions on Antennas and Propogation，1962，AP-10(4):363－367.

［5］石 荣，陈锡明，唐 海，等.差模跟踪接收机和差通道相位标校与调整 ［J］.电子信息对抗技术，2006(1):6－9.

［6］袁 刚，江 涛.差模跟踪技术的应用［J］.现代雷达，2004(1):49－52.

［7］柯树人.圆波导多模自跟踪系统的工作原理［J］.通信与测控，1992(2):1－11.

［8］MILLIGAN T A.Modern Antenna Design(Second Edition)［M］.America:John Wiley ＆ Sons Inc.，2005:380－447.

［9］柯树人.自跟踪天线和、差口对源天线辐射场的近场响应［J］.通信与测控，1990(3):1－10.

［10］成亚勇，李玉瑄.双通道角跟踪体制实时校相算法研究［J］.无线电工程，2009，39(5):32－33.