共模电流对天线稳定性的影响

马 煦，段恒毅

（1.北京卫星导航中心，北京 100094；2.中国电子科技集团公司第十研究所，成都 610036）

1 引言

天线作为一种无源器件，在周边环境不变的情况下，通常认为其性能性能是稳定的，也就是不随时间变化的。但实际上在有些情况下，设计不良的天线是会出现信号的不稳。比如某测向设备在使用中就曾发现从测向接收的单元天线输出的接收信号相位会随时间缓慢漂移。经过长时间观察还会发现这个相位的漂移具有近似来回振荡的特点，其最大漂移量可达20°。图1是我们在天线测量暗室中观察到的天线单元在10分钟以后频率2GHz-12GHz接收信号的时变相位漂移情况。

图1 天线10分钟的相位漂移

在干涉仪测向系统中，各测相通道的相位稳定性是保证系统准确测定来波波达方向的基础[1][2]，而幅度达20°的时变相位漂移量对这种体制的测向系统来说显然不可以忽视，因此问题的严重性是不言而喻的。然而，在着手对这一现象进行研究时，对国内公开发表的有关技术文献资料进行检索后却没有发现有关这方面的论述，因此本文只好根据实验现象对这一问题进行分析研究，我们的分析研究从信号的迭加干涉开始。

2 同频信号的迭加干涉

先假设两路同频信号分别为

当这两路信号迭加以后得到

令 A=ES0+EJ0cos（φ），B=EJ0sin（φ），式（2）可以写成

其中

如果ES0》EJ0，则式（4）可以简化成

3 共模电流对天线信号相位的影响

一个天线系统是由天线以及连接在天线上的馈线组成的。当外来电磁波照射到天线上时，也同时照射到连接天线的馈电同轴线外皮上。一个设计良好的天馈系统，天线和馈电同轴线外皮是相互隔离的，也就是说在即便馈电同轴线外皮感应有电流也不会通过和天线的接口流入到馈线内部。但是有些设计不够谨慎的天线会有隔离不好的情况，于是在馈电同轴线外皮感应的共模电流就会通过天线端口流入到馈线内部。我们假设通过天线进入馈线的信号为（1a），进入的馈电同轴线外皮感应的共模电流信号为（1b），它们在馈线内合成信号（3）。如果天线接收的信号，馈电同轴线外皮感应的共模电流信号以及它们之间的相位差都是恒定的，最后天线输出的信号仅仅是幅度的大小量值有些不同而已，如果这两个信号之间的相位差是变化的，情况就将大不一样了。

为了说明这种情况，我们仍先将问题简化一下。这里我们假设天线接收的信号强度比同轴线外皮感应的共模电流信号大得多，因为天线的接收效率通常会比同轴电缆感应外来电磁波的效率要高，这也是我们在实际工程中最常见的一种情形。由（3）可以得到天线输出信号的相位

由式（7）可见，天线输出信号相位变化的最大幅度是由EJ0/ES0来决定，干扰信号的强度越大，其相位漂移的幅度会越大。比如天线最大漂移相位幅度是20°，由式（7）可以算出共模干扰电流信号比天线接收的信号小-9dB。

如果共模电流信号与天线接收信号之间的相位差是恒定不变的，天线输出信号的相位是不会变化的。然而测试中我们确实观察到天线输出信号相位的变化，这个变化是怎么来的呢?我们知道共模电流是入射电磁波照射到馈电同轴线外皮上产生的，这个电流沿着同轴线外导体的外边流向天线端口，在此期间，由于天气温度的变化，同轴线的长度是会发生变化的。我们假设其热膨胀系数为α，共模电流流动的路径长度假设为L，那么由同轴线长度变化带来的相位变化为

考虑天线工作现场环境温度随时间变化导致同轴线长度变化为时间函数，因此在引入随时间变化的温度T（t）以后式（8）可以写成

图2 共模电流流入接收天线端口引起的信号相位变化

大多数情况我们使用的同轴线内外导体都是铜质的，铜的热膨胀系数为17.7×10-6m/C°，而气温变化我们假设为0.5C°/h，根据式（7）可以算出工作频率2GHz-12GHz的共模电流流经的路径长度为1000mm时接收天线10分钟的信号相位变化（见图2）。

比较图2和图1可知，由式（7）计算的结果和实验结果是一致的。

4 结束语

本文对天线工程应用中出现的接收信号相位漂移现象进行了分析，提出了相位漂移产生的机理并推导了相应的分析计算公式。利用文中所述机理可以对工程中出现的相位漂移现象作出合理解释，利用推导的计算公式计算得到的结果也和实验中观察到的情况吻合一致。