电路性能参数测试方法与航天器天线工程设计技术

天线可以被看作收发信机与空间的“阻抗变换器”，其作用是将发射机所产生的高频电流转换为电磁波，传到指定的空间区域，或者将来自指定空间区域的电磁波转换成高频电流送到接收机。作为无线通信系统的重要组成部分，天线电路性能参数测试主要包括驻波比、隔离度和互调测试，图10-2描述了各性能参数测试的主要关注点。

图10-2　电路性能参数测试关注点

1.驻波比测试

驻波比全称为电压驻波比，指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，又称为驻波系数。在通信系统中，为保证系统长期稳定工作，获得最小的传输损耗，需要尽可能地使通信系统中所有设备（包括收发信机、馈线、天线等）的输入输出阻抗保持匹配，使整个传输系统都处于行波状态，避免驻波的产生。

矢量网络分析仪的使用，使驻波或隔离度的测试变得非常简单。从发射机的输出向天线看去，可以把天线看作一个单端口网络。测试航天器天线端口驻波比时，被测天线应该安装或放置在一个相对没有反射并且距离测试设备和测试人员相对较远的自由空间或无回波暗室。

2.隔离度测试

当两个或两个以上的通信系统安装于同一个载体平台时，各天线之间会互相串扰（图10-2），即使两台发射机工作在不同频段，也可能造成谐波或互调干扰。对于卫星或航天器平台，多种不同功能天线被密集布置在航天器表面狭小空间，可能引入严重的电磁干扰。在工程中，常用隔离度来定量表征同一载体平台上两天线间耦合强弱程度，它定义为一个天线的发射功率与另一天线所接收的功率之比，用对数（dB）来表示。此时，把要测试的两副天线看作一个双端口网络，从天线馈入端看，天线之间的隔离度可以用S21和S12参数来描述，等效电路如图10-3所示。

图10-3　天线隔离度等效电路

航天器天线隔离度测试与驻波比测试类似，被测天线安装或放置在一个相对没有反射并且距离测试设备和测试人员相对较远的自由空间或无回波暗室，两个待测天线安装在星表各自预定位置，通常采用双端口矢量网络分析仪来完成测试。矢量网络分析仪两测试端口之间插入损耗即为两天线间的隔离度。若需要测试两个以上天线间的隔离度，可以使用多端口矢量网络分析仪进行测试，目前使用较多的有四端口、八端口矢量网络分析仪，这样可以减少连接次数，提升测试效率。

3.互调测试

（1）互调分类

对于航天器天线来讲，根据互调干扰对象的不同可以分为传输互调和反射互调测量。传输互调是将天线视作一个双端口网络，当两个载频同时输入馈电端口时，在其辐射出电磁波中产生的互调（见图10-4）。反射互调是将天线视作一个单端口网络，当两个载频同时输入馈电端口时，在其端口反射回输入方向的互调（图10-5）。传输互调关注于天线所在系统对其他星上系统的干扰，反射互调关注于天线对自身接收系统的干扰。(www.xing528.com)

图10-4　传输互调

图10-5　反射互调

（2）互调测试

航天器天线互调测试通常在低互调无回波暗室或室外进行。测试前应确保暗室环境互调低于被测天线10 dB以上，同时保证测试系统接收端器件或辅助天线的低互调性能。测试系统使用的双工器或滤波器，都应采用低互调设计，同轴和波导适配器应尽可能少用或避免使用。

图10-6所示是典型的天线传输互调测试框图。两个大功率载频信号f1、f2分别经过放大滤波后进入合路器的P1、P2端口，经过合成滤波后，得到两个纯净的大功率载频信号，进入待测天线馈电端口。天线所产生的互调产物进入与辅助天线相连的双工器的P4端口，从P6输出经接收滤波器进入高灵敏度的接收机或频谱分析仪，再经过换算获得天线传输互调测试结果。

图10-6　天线传输互调测试方法

天线反射互调测试与传输互调类似，如图10-7所示。合成后的大功率载频信号进入双工器P4端口，经P5馈入天线。待测天线所产生的互调产物被反射回双工器的P5端，互调信号从P6端被引导到接收滤波器，进而进入高灵敏度接收机或频谱分析仪，经过换算获得天线传输互调测试结果。

航天器天线互调量值通常较低，非常接近测试系统噪声互调。因此，测试前，一般先对测试系统噪声互调量值进行验证。噪声互调验证通常使用与待测天线辐射特性近似的低互调天线，按照相同的测试功率、频点、电缆连接状态进行系统验证，并检查电缆和接头对弯曲、机械应力和结构的敏感性。系统互调验证通过后，方能使用待测天线按照相同的设置进行测试。

图10-7　天线反射互调测试方法

天线互调测试比较复杂，有时难以实现。由于工程中往往只注重干扰频段，因此，航天器天线很多时候只进行互调干扰检验。比如，为检验发射设备对接收设备的无源干扰，先计算发射设备中哪两个频率最有可能产生该系统接收频段的无源互调，让发射设备的功率源发射这两个频率，利用该系统的接收机进行高灵敏度接收，观察是否能收到无源互调产物。