温度相位稳定性对船载跟踪接收机相位的影响及应对策略

中国卫星海上测控部 李 兵 王小兵

温度相位稳定性对船载跟踪接收机相位的影响及应对策略

中国卫星海上测控部 李 兵 王小兵

温度相位稳定性是同轴电缆的一项固有指标，该指标会影响船载单通道单脉冲数字跟踪接收机的相位。文章基于单通道单脉冲原理分析了影响接收机相位变量因子，并从理论上分析了同轴电缆温度相位稳定性与接收机相位之间的关系。基于数据拟合方法，提出了船载跟踪接收机两种相位校准策略，通过试验验证具有一定可行性和可靠性，该研究成果为船载接收机动态校相具有一定指导意义。

船载；单通道；温度相位稳定性；同轴电缆

1 引言

单脉冲单通道数字接收机作为船载卫通站天线自跟踪系统的必备条件之一,是完成海上通信任务的重要保证,而接收机相位是否精准是实现天线稳定跟踪的前提。针对目前海上动态校相难度大,无法为跟踪接收机提供一个精准可靠的相位值。因此,码头静态条件下的校相精度与校相方法非常关键。船载卫通站工作环境恶劣,跟踪接收机的相位经常会高频箱温度、和差网络之前通道等因素的影响,导致信号传输的电气长度(与相位相关)发生相应变化,使接收机原始校相值与当前传输通道不匹配,产生了交叉耦合,影响了接收机对误差电压的解调,最终导致天线跟踪不稳定。针对该问题,笔者从理论上进行了分析,提出了两种可行的应对策略,为船载单脉冲数字接收机相位校准提供了一种行之有效的方法。

2.温度相位稳定性对天线跟踪的影响

2.1 接收机相位变量因子

船载卫通站跟踪接收机采用单通道单脉冲跟踪体制,馈源网络采用TE11模为和模,TE21模为差模,在差支路中将俯仰误差信号ΔEL和方位误差信号ΔAZ正交相加变成差信号。由多模馈源理论得可知差信号向量关系如下图2-1所示:

图2-1 差信号向量关系

由以上向量关系可以得出和、差信号的表达式如下:

2.2 同轴电缆温度相位稳定性原理

船载卫通站跟踪系统对同轴电缆有严格的要求,同轴电缆要有良好的相位稳定性,以满足跟踪接收机相位稳定的需求。而同轴电缆在不同的环境温度下,内外导体金属的线伸胀引起的机械长度变化及绝缘材料的等效介电常数变化是引起相移常数变化的两个因素,从而导致接收机总相位的变化,进而影响天线的跟踪性能。

由文献【1】知,同轴电缆初始相位和温度之间存在如下关系:

2.3 相位与相位稳定性分析

跟踪接收机校相是利用调制电路中的移相器来消除进入和差网络的差信号与和信号的初始相位差,使得的目的,其中为移相器调整的角度,以确保接收机解调出的和、差信号相位差能真实反映天线电轴偏离卫星的角度,保证解调出来两轴误差电压不含交流分量,使交叉耦合参数满足指标要求。

接收机误差电压解调过程:对差信号进行0/π调相,调制信号是角频率为Ω的方波信号,调相后,差信号的载波被抑制,只有奇数边频,能量集中在边频上。此调制信号与和信号相加后,经放大、变频、锁相、滤波后变成稳定的中频ωr。在锁相、幅度检波中,利用超外差锁相环的窄带滤波跟踪特性,使环路锁定在参考源频率上,这样和信号的频率与相位与参考源保持固定。而后利用参考源来完成幅度同步检波、误差信号解调。

根据上面(1)、(2)式,设天线馈源产生只有方位误差,俯仰误差信号为零,则检波出应有ΔEL=0;如果,n为整数,再由接收机误差电压解调原理可得:

由(5)、(6)式可以看出:ΔEL≠0,ΔAZ有信号损失,且电压降为原有的cos倍,产生了交叉耦合。交叉耦合:

假设天线馈源产生只有俯仰误差,方位误差信号为零,则检波出应有=0;如果,n为整数,同理可得,ΔAZ≠0,ΔEL有信号损失,电压降为原有的倍,同样产生了交叉耦合。

根据以上分析,当同轴电缆温度稳定性较好,接收机相位校不准,解调出的误差电压会存在倍的偏差;若接收机相位已校准,但同轴电缆温度相位稳定性较差,同样会引起接收机相位的变化。因此,同轴电缆的温度相位稳定性指标对船载卫通站跟踪接收机相位有很大影响。

3 相位调整策略

3.1 工程试验法

1)在码头期间,高频箱内温度为12°C,工作人员首次对船载卫通站跟踪接收机进行校相,具体数据如表1所示:

表1 跟踪接收机参数

由表1可以看出,在高频箱温度为12°C条件下,工作人员对A卫星进行接收机校相的结果,在此情况下天线跟踪稳定,接收机误差电压值均小于0.2V。

2)当高频箱温度变为31°C时,天线跟星时发现跟踪不平稳。工作人员初步判断是高频箱内温度影响了接收机相位,后续,对跟踪接收机相位进行了调整,数据如表2所示:

表2 跟踪接收机参数

与表1相比,高频箱温度增加了19°C,在两次校相中,场放组合相同,表2中跟踪接收机A、E两轴与表1中A、E两轴的相位差值均在16.8°到23.2°之间。因此可以判定,高频箱温度的变化的确会影响接收机相位值,导致交叉耦合,影响了天线的正常跟踪。

由以上试验可知,影响接收机相位变化的主要因素是和差网络前信号传播的通道变化,即同轴电缆的相位会随温度变化而变化,影响了接收机对误差电压的解调。同轴电缆相位随温度T变化的关系式为[1]:

根据以上变量关系和数据拟合原理得出,接收机相位调整原则为温度升高和降低时,相位也相应增加和减小,调整比例大概是1∶1.24,可根据实际情况进行微调,确保天线能够长时间稳定跟踪。因此,在高频箱温度出现较大变化时,需要及时校相。

3)在海上期间,工作人员进行跟星,接收机能够锁定信号,但是,天线控制单元界面的误差电压曲线不平稳,同时发现示波器上李萨如图形出现逆时针画圈现象,天线跟踪不稳定,误差电压均大于0.5V。查看高频箱温度情况,其值为13°C,温度与表3相比变化了18°,工作人员判定是温度骤变再次导致了接收机相位变化。其后,根据以上调整原则,调整后的接收机相位如表3所示。在变化后的状态下,天线进行了重新捕获卫星,跟踪状态稳定,误差电压小于0.3V,李萨如图形逆时针画圈现象消失,接收机跟踪稳定性有了明显改善。

表3 跟踪接收机参数

4)在后续任务中,高频箱温度又回升到30°C时,接收机跟踪又出现跟踪不稳定现象,发现示波器上李萨如图形出现顺时针画圈现象,工作人员又对接收机相位重新调整如表4所示,天线跟踪恢复平稳。

表4 跟踪接收机参数

在此条件下,对4种场放组合下的跟踪接收机进行了自跟踪拷机试验,误差电压均小于0.3V ,跟踪稳定。

3.2 李萨如[2]图形法

李萨如图形在船载卫通天线跟踪系统中利用双通示波器观察跟踪接收机解调误差信号的矢量轨迹。

李萨如图形能直观地反映天线跟踪的精度和稳定状态,显示的是接收机解调出的方位和俯仰电压误差的矢量图,而且还能记忆跟踪状态轨迹,为监视设备运行状态比较理想的手段。根据长期的工作经验和理论基础,工作人员可根据误差电压两路信号绘出的李萨如图形旋转方向来判断相位的变化情况[3],在3.2节中提到当高频箱温度下降时,李萨如图形出现逆时针方向旋转;当温度升高时,则李萨如图形绕顺时针旋转。下图3-1为天线跟踪是李萨如图形。

图3-1 李萨如图形

在温度变化时,接收机相位发生变化,工作人员可根据李萨如图形旋转方向[4]调整接收机相位,具体调整量与旋转半径成正比例关系,具体方法如下:

1)当李萨如图形逆时针旋转时,应对接收机两轴相位值相应减小;

2)当李萨如图形顺时针旋转时,应对接收机两轴相位值相应增加。

4 结束语

针对船载单通道单脉冲数字接收机相位稳定性问题,本文从理论上分析了温度变化对接收机相位的影响,掌握了温度相位稳定性与相位之间的变化规律及应对策略,对接收机动态条件下的相位校准和同轴电缆温度相位稳定理论研究具有指导意义。

［1］李庆和.同轴电缆的温度相位稳定性及其影响因素分析［J］.电线电缆,2007(2):25-26.

［2］郑俊达.基于李萨如图形的相位测量及实现［J］.科研发展,2012(2):80-81.

［3］杨继先.李萨如图形的性质研究［J］.西华大学学,2008,27(6):98-100.

［4］杨继先.相互垂直的谐振动合成轨迹研究［J］.西华大学学报:自然科学版,2008,27(2):76-82.

The Influence and Coping Strategies of Temperature Phase Stability on Ship-borne Tracking Receiver Phase

Li Bing, Wang Xiao-bing
(China Satellite Marine Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China)

Temperature phase stability is a natural indicator of coaxial cable, the index will affect phase of single channel monopulse tracking digital receiver on ship-board. On the basis of the principle of single channel monopulse, the article analyses the variable factor of influence receiver phase, and the relationship between temperature phase stability and receiver phase from theoretically. Based on data fitting method, two phase calibration strategy of the shipboard mono-pulse receiver is proposed. The feasibility is validated by experiment. The research provides certain guiding significance for shipboard receiver dynamic phase alignment.

ship-board;single channel;temperature phase stability;coaxial cable

李兵（1985—），男，中国卫星海上测控部工程师。