基于BDS的C频段天线馈源介质材料性能分析

王棋萍，马 煦，刘魁星，马 倩

（北京卫星导航中心，北京 100094）

0 引言

RDSS业 务（ Radio Determination Satellite Service，卫星无线电测定）和站间数传测量业务是 BDS（北斗导航卫星系统）两大重要业务，利用大口径抛物面天线 C频点信号为常规上行注入频点，实现站间时间同步、站间数据交互、定位报告、双向授时和短报文通信等功能。天线是将交变的电路电能与空间的电磁波能进行转换的能量转换装置。在BDS工程中，大口径抛物面天线为介质棒聚束喇叭天线，C频段馈源引入了介质加载材料，良好地体现了电磁辐射特性。 RDSS业务最繁忙时多路加载的发射信号功率高达 3，000多千瓦，不同材质介质棒在大功率下体现出不同的耐高功率特性，因此要求介质加载材料必须具备良好的电性能和耐高功率性能。

本文提出使用新型材料熔融石英陶瓷作为 C频段介质加载材料，与传统的介质材料铰链聚苯乙烯就耐高功率性能进行了比对分析，结果表明新型介质棒具有优良的耐高功率特性，满足了 RDSS业务使用需求。对比评估了两种介质材料加载而成的天线性能和两种天线在系统中的使用性能，结果表明，新型介质棒天线与传统介质棒天线电性能相当，满足系统使用需求。

1 介质材料对比分析

将介质材料加工成锥销型渐变结构，电磁波在介质波导传输过程中随着介质棒横截面积的减小，电磁波相速增加，当到达末梢时相速接近光速继而辐射至自由空间，具有较好的定向性及较低的副旁瓣电平。

北斗卫星导航系统以往使用的介质材料为在微波透镜天线领域已获得广泛应用的低损耗铰链聚苯乙烯材料，其介电常数、损耗正切、抗击穿、抗老化均满足系统使用需求，电性能在使用中已得到充分验证。

熔融石英陶瓷材料作为广泛应用于航空航天领域的新型材料，主要起透波和热防护作用，具有力学性能优异、化学性能稳定、隔热性能较好、介电性能优良、抗热震性能好、耐高功率、耐高温等优点。表 1对比了两种介质材料主要性能参数，可见两种材料介电性能基本相同，但熔融石英材料耐高温性能更好。

表1 两种材料性能参数对比

2 耐高功率性能对比分析

针对BDS中RDSS业务C频段大功率工作需求，选用的介质材料必须具有优良的耐高功率特性。本小节利用 ANSYS公司的专业热分析软件在大功率状态下对上述两种介质材料进行了试验对比分析。

图1为3 kW大功率状态下铰链聚苯乙烯材料加工制作而成的介质棒温度场分布图。仿真结果表明，由于介质导热性能较差，大功率状态下局部产生了热量积聚，介质棒局部区域最高温度达到了200℃左右，超出了介质材料允许的最高工作温度100℃，导致介质棒发生融化。

图1 大功率状态下传统介质材料温度场分布

图2给出了发射功率为 3 kW时，采用熔融石英材料加工制作而成的介质棒温度场分布计算结果。可见，在最大发射功率 3 kW状态下，介质棒局部最高温度不超过 320℃，远低于熔融石英陶瓷材料最高工作温度 1，200℃。

传统介质材料在局部温度超出其最高工作温度100℃，发生融化，导致 C频段发射链路驻波过大，发射信号无法辐射出去，强大的反射波将会对前端设备造成损害。新型介质材料在大功率条件下局部最高温度远低于熔点，满足系统使用需求。

图2 大功率状态下新型介质材料温度场分布

3 天线性能分析评估

本小节从天线电性能角度，分别对两种介质棒天线的天线方向图、旁瓣电平进行对比分析评估，验证耐高功率介质棒是否满足 BDS使用需求。

采用场地法测量抛物面天线方向图，由天线互易原理可知：场地法既可测量天线发射方向图，又可测量天线接收方向图。第一旁瓣方向图

图3 （a）耐高温介质棒天线方位第一旁瓣方向图

图3 （b）传统介质棒天线方位第一旁瓣方向图

图4 （a）耐高温介质棒天线方位宽角旁瓣方向图

图4 （b）传统介质棒天线方位宽角旁瓣方向图

图3、图 4分别为耐高温介质棒天线、传统介质棒天线方位第一旁瓣、宽角旁瓣方向图；图 5、图 6为耐高温介质棒天线、传统介质棒天线俯仰第一旁瓣、宽角旁瓣方向图。从图中可知，耐高功率介质棒天线方位第一旁瓣低于主瓣 -16 dBc，俯仰第一旁瓣低于主瓣 -18 dBc；传统介质棒天线方位第一旁瓣低于主瓣 -16 dBc，俯仰第一旁瓣低于主瓣 -17 dBc。因此，耐高功率介质棒天线在天线方向图、旁瓣电平这两项指标上与传统介质棒天线指标性能相当。

图5 （a）耐高温介质棒天线俯仰第一旁瓣方向图

图5 （b）传统介质棒天线俯仰第一旁瓣方向图

图6 （b）传统介质棒天线俯仰宽角旁瓣方向图

4 系统性能评估分析

本节从 BDS应用角度，评估了两种介质棒天线的使用性能。

天线口面发射电平可由式（1）计算：

式中，P0为功率放大器输出功率；L0为发射链路插损；G0为天线发射增益。

上行信号经卫星转发器转发，下行信号发射电平可由式（2）计算：

式中，G1为卫星有效面积天线增益；BOi转发器输入补偿；上行空间损耗Lu=200 dB；大气吸收、极化及天线指向误差损耗Lr=1.5 dB。

根据式（1）、式（2）分析，在终端设备、信道链路、无线链路不变的条件下，分别对比两种介质棒天线在同一发射功率P0下接收信号的载噪比，从用户角度考查两种介质棒天线的收发性能。如图 7所示，发射链路产生的C频段信号经待测天线放大发送至卫星，经卫星C-C转发器回传至地面，通过待测天线放大、滤波以及接收信道链路处理，最终在接收终端实现对该信号的捕获测量，输出接收信噪比。

图7 接收载噪比测试原理图

在T0时间，发射终端和信道产生发射信号功率为P0，经传统介质棒天线发射接收，接收终端输出的载噪比为 CNR1。连续测试24小时后，吊装天线将传统介质棒更换为耐高介功率质棒，更换完毕后，以发射功率为P0继续测试24小时，接收终端输出的载噪比为 CNR2。图8、图9分别显示了两种介质棒天线在同一发射功率下接收信号的载噪比，连续测试24小时，传统介质棒下接收载噪比稳定，为52-54.5 dB/Hz。连续测试24小时，耐高温介质棒天线下接收载噪比稳定，为52.5-54.5 dB/Hz。通过上述分析可知，在系统应用上，耐高温介质棒天线具备与传统介质棒天线同等的性能。

图8 传统介质棒天线接收信号载噪比

图9 耐高功率介质棒天线接收信号载噪比

5 结束语

本文提出使用熔融石英陶瓷材料作为天线介质棒加工原料，从而解决了 BDS中RDSS业务大口径抛物面天线C频段馈源系统功率容量问题。通过专业热分析软件在大功率状态下分别对传统介质材料和熔融石英陶瓷材料加工成的介质棒的温度场分布进行了分析，结果表明熔融石英陶瓷材料加工成的介质棒的具有优良的耐高温、耐高功率特性，满足 BDS中RDSS业务信号集中使用需求。通过对比两种介质材料天线的方向图、副瓣电平和接收载噪比，表明耐高功率介质棒天线与传统介质棒天线电能相当，满足系统使用需求。