射電陣列天線和接收機(jī)性能綜合測試方法*

姬國樞，王 威，2，劉東浩，2，李 沙，2

(1.中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012;2.中國科學(xué)院太陽活動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)

1 Y系數(shù)法及改進(jìn)

天線生產(chǎn)廠在射電望遠(yuǎn)鏡安裝現(xiàn)場測試天線增益及噪聲溫度常用Y系數(shù)法，其原理如圖1。

Y系數(shù)法的步驟是先測量接收系統(tǒng)GA/TS，再測系統(tǒng)噪聲溫度TS。測GA/TS時，開關(guān)連接天線。天線收到太陽的功率密度為P0

式中，S為太陽流量密度;A為天線幾何面積;η為天線效率。折算到太陽引起的天線噪聲溫度TSUN

式中k為波爾茲曼常數(shù)，則，

圖1 Y系數(shù)法測試天線增益及噪聲溫度原理圖Fig.1 Measuring antenna gain and noise temperature using the Y factor method

天線指向太陽，頻譜儀記錄功率為PSUN(∝(TSUN+TS));天線指向冷空，頻譜儀記錄功率為PSKY(∝ TS)。

由(3)、(4)式，得到

這就是射電Y系數(shù)法測天線增益的標(biāo)準(zhǔn)公式［1］。式中，K1是大氣吸收衰減修正因子;K2是太陽面源修正因子，

式中，E是測試時天線仰角，E=65°;d是太陽角直徑，d=32';θ0.5是天線半功率點(diǎn)波束寬度，θ0.5=70λ/D［2］為3.33°(1 400 GHz)。求得 K1=0.032 dB，K2=0.032 dB 。因天線指向太陽仰角較大，K1較小，可忽略。因天線半功率點(diǎn)波束寬度較太陽直徑大很多，K2較小，可忽略。

測系統(tǒng)噪聲溫度TS時，開關(guān)分別與50 Ω終端、噪聲源、冷空相連(天線指向冷空)，頻譜儀記錄功率分別為P50、PNS、PSKY

TR是測試系統(tǒng)的噪聲溫度，TR～TLNA。測得GA/TS及 TS后，則天線增益［GA］=［GA/TS］+［TS］(方括號表示dB值)。天線噪聲溫度［TA］=［TS］－［TLNA］(還需已知或測試TLNA)。

這種測試方法通常是測試員拿一個低噪聲放大器、冷熱噪聲源、微波開關(guān)及頻譜儀到天線下進(jìn)行，先到天線上將低噪聲放大器、冷熱噪聲源、微波開關(guān)連到天線饋源輸出端，低噪聲放大器輸出端電纜接天線下面的頻譜儀。如果利用射電望遠(yuǎn)鏡中的模擬接收機(jī)代替測試專用的低噪聲放大器，即把模擬接收機(jī)看作一個增益較大的低噪聲放大器，顯然對測試天線性能與上述方法效果一樣。

如果直接用頻譜儀讀數(shù)，不求兩次微波開關(guān)連接測試的比值，即不求Y系數(shù)，在下一節(jié)可以看到，這種在測試結(jié)構(gòu)及處理數(shù)據(jù)方法的小小改進(jìn)即能測出天線性能，又能測出接收機(jī)性能，即可以得到GA、TA、GR、TR。接收機(jī)增益及噪聲系數(shù)在現(xiàn)場很難測，這種方法解決了這個難題。

2 天線和接收機(jī)的綜合測試方法

天線和接收機(jī)的綜合測試方法見圖2，它是射電望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)部分方框圖。

首先微波開關(guān)分別連接50 Ω終端、噪聲源，然后天線分別指向冷空(天線指向偏離太陽10°以上)和太陽。頻譜儀讀數(shù)分別為P50、PNS、PSKY、PSUN。相應(yīng)鏈路方程為:

T50、TR、TNS、TSKY、TS和 TSUN分別為 50 Ω終端、接收機(jī)分系統(tǒng)、噪聲源、冷空、含天線的接收系統(tǒng)和太陽的噪聲溫度，T50=290 K。

噪聲源的超噪比ENR=18.21 dB(實(shí)驗(yàn)室實(shí)測值)，由超噪比定義(13)式可求出噪聲源噪聲溫度 TNS。

圖2 天線和接收機(jī)性能綜合測試方法Fig.2 The synthetic measurement method of antenna and receiver performance

式中，TA為天線背景噪聲溫度。

測量實(shí)例:以一個4.5 m口徑射電望遠(yuǎn)鏡在1 400 MHz的測量值為例進(jìn)行計(jì)算。測試值見圖3。頻譜儀的型號是Agilent E4407，采樣點(diǎn)設(shè)置為401個點(diǎn)，即每2.5 MHz采樣1次。圖下數(shù)據(jù)左側(cè)是采樣頻率，右側(cè)是相應(yīng)采樣電平值 (250 MHz是末級中放中頻頻率，對應(yīng)射頻1 400 MHz)。

圖3 綜合測試方法測量數(shù)據(jù)(a)接50 Ω終端的測試值;(b)接噪聲源的測試值;(c)天線指向冷空的測試值;(d)天線指向太陽的測試值Fig.3 The data measured using the synthetic method(a)Measurement data when connected to the 50Ω terminal;(b)Measurement data when connected to the noise source;(c)Measurement data when the antenna is pointed to the cold sky;(d)Measurement data when the antenna is pointed to the sun

圖3(b)中，因測噪聲源時，測試員將系統(tǒng)增益GR比接50 Ω終端和其他狀態(tài)多加5 dB，計(jì)算時各種連接狀態(tài)增益應(yīng)相同，所以

由(9)、(10)式

由 (11)、(16)式

TSKY=3 K，一般可以忽略。

由 (12)、(16)式

將T50=290 K、TNS=19 494 K、P50、PNS、PSKY、PSUN代入(15)至(18)式，可得模擬接收機(jī)的系統(tǒng)增益GR=59 dB;模擬接收機(jī)分系統(tǒng)TR=264 K;含天線的接收系統(tǒng)TS=364 K;天線TA=100 K和太陽的噪聲溫度TSUN=1019 K。

模擬接收機(jī)子系統(tǒng)在制造廠和觀測站的區(qū)別是，光收發(fā)鏈路在廠里是幾米長的光跳線，在觀測站是3.4 km的光纜。光纖損耗及接頭損耗會引起增益及系統(tǒng)噪聲的少許變化。

接收機(jī)子系統(tǒng)噪聲系數(shù)出廠測試NF=2.5 dB，相應(yīng)TR=243 K，與觀測站測試值TR=264 K接近。而天線噪聲系數(shù)出廠測試TA=100 K(10°仰角)與觀測站測試值TA=100 K(高仰角)也較一致。由于光纖損耗及接頭損耗，接收機(jī)增益比實(shí)驗(yàn)室測試值低了3 dB。

測試的前后幾天太陽流量密度平穩(wěn)，用ngdc網(wǎng)站公布的當(dāng)天太陽流量密度S=66sfu①http://sgd.ngdc.noad.gov，用(3)及(18)式可求得天線增益GA

(17)式很易改寫成(8)式一樣的形式，(19)式除以(17)式很容易變成(5)式一樣的形式，即幅度校準(zhǔn)法兼容了測試天線性能的Y系數(shù)法。

3 測量天線增益的方向圖法

現(xiàn)場測天線增益的另一種方法是用地球同步衛(wèi)星信標(biāo)作標(biāo)校源測量天線方向圖，再用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算增益。

以地球同步氣象衛(wèi)星風(fēng)云2號(定位于123.5E)的信標(biāo)1 702.5 MHz為標(biāo)準(zhǔn)源測試的赤經(jīng)、赤緯方向圖見圖4。

由圖4(a)赤經(jīng)半功率點(diǎn)掃描時間為22.5 s，由圖4(b)赤緯半功率點(diǎn)掃描時間為23 s，赤經(jīng)、赤緯轉(zhuǎn)速為7.89°/min即0.131 5°/s。由此可得赤經(jīng)、赤緯的半功率點(diǎn)波束帶寬:

圖4 用衛(wèi)星作標(biāo)校源測量天線方向圖(a)赤經(jīng)方向圖;(b)赤經(jīng)方向圖Fig.4 The antenna patterns measured using the satellite beacon as a calibration source(a)Longitude Pattern;(b)Latitude Pattern

4 小結(jié)

射電陣列主要用于天文觀測成像，采用干涉成像原理，對所有干涉單元有幅度、相位一致性要求，以保證成圖質(zhì)量，因此需要作幅度相位校準(zhǔn)。

幅度校準(zhǔn)就是增益校準(zhǔn)，用本文的同樣方法將天線陣列的每個天線支路增益測量出來，并以一個支路增益為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出每個支路與標(biāo)準(zhǔn)支路的增益差，并在數(shù)字電路將所有支路增益補(bǔ)償?shù)綐?biāo)準(zhǔn)支路同一值，就完成了一個頻率的幅度校準(zhǔn)。

本文利用射電望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)中微波開關(guān)的功能總結(jié)出一種同時進(jìn)行天線及接收機(jī)參數(shù)的測試方法。4個測試步驟(微波開關(guān)分別連接50 Ω終端、噪聲源，然后連接左旋(或右旋)時，天線先后指向太陽及冷空)，得到4個測試數(shù)據(jù)P50、PNS、PSKY、PSUN，代入由4個鏈路方程(9～12式)導(dǎo)出的4個射電望遠(yuǎn)鏡關(guān)鍵參數(shù)表達(dá)式(15、16、17及19式)，從而得出天線增益GA，及天線噪聲溫度TA，接收機(jī)增益GR及接收機(jī)噪聲溫度TR(其中天線增益需借助于天文網(wǎng)站公布的太陽流量計(jì)算)。

這種方法在射電陣列(幾十面天線，分布在幾平方千米范圍)測試中相對于天線、接收機(jī)分別進(jìn)行測試顯示出許多優(yōu)點(diǎn):操作簡單，省工，省時，省力，速度快，效率高。機(jī)房內(nèi)動動鼠標(biāo)(控制微波開關(guān)連接點(diǎn)及天線轉(zhuǎn)動)就測完了，免除了在室外爬上，爬下(天線)，連上，拆下(電纜)之勞，承受風(fēng)吹雨打日曬之苦。

致謝:本文寫作過程中，中國電子科技集團(tuán)13所張?jiān)匠筛呒壒こ處?，吳立峰，劉榮軍，黃從喜，常會軍工程師予以幫助，在此一并表示感謝。

［1］毛乃宏.天線測量手冊 ［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1987.

［2］約翰·克勞斯.天線 ［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［3］P G Smith.Measurement of the complete far-field pattern of large antennas by radio-star source［J］.IEEE Transactions on Antennas and Pprpagation，1966，14(1):6－16.

［4］康連生，張喜鎮(zhèn).232 MHz天線饋源及方向圖測試 ［J］.北京天文臺臺刊，1985.