用頻譜儀測量衛(wèi)星信標EIRP及誤差分析

王　海，秦順友，陳　輝

(中國電子科技集團公司 第五十四研究所， 河北 石家莊　050081 )

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用頻譜儀測量衛(wèi)星信標EIRP及誤差分析

王海，秦順友，陳輝

(中國電子科技集團公司 第五十四研究所， 河北 石家莊050081 )

摘要:提出了利用頻譜儀和標準增益喇叭測量衛(wèi)星信標EIRP的原理方法，推導出衛(wèi)星信標EIRP測量的原理方程。簡述了大氣衰減計算的簡單公式和近似計算方法。對衛(wèi)星信標EIRP測量誤差進行了分析，結果表明其均方根誤差≤±0.614dB。最后給出了測量實例，從而驗證了該方法的可行性。

關鍵詞:頻譜儀；標準增益喇叭；衛(wèi)星信標；EIRP測量；誤差分析

衛(wèi)星信標是表征衛(wèi)星存在和特征的一種特殊信號，衛(wèi)星信標EIRP(equivalent isotropic radiated power，等效全向輻射功率)是衛(wèi)星信標信號的重要性能指標之一，它等于衛(wèi)星天線發(fā)射增益與發(fā)射功率的乘積[1，2]。衛(wèi)星信標的應用廣泛[3-5]，例如利用衛(wèi)星信標可實現(xiàn)地面站系統(tǒng)G/T值和載噪比等性能測量；其次可用衛(wèi)星信標測量地面站天線方向圖、增益和交叉極化等性能指標；再者衛(wèi)星信標可用作地面站系統(tǒng)跟蹤和監(jiān)測等。因此精確測量衛(wèi)星信標大小及其穩(wěn)定性是非常重要的。本文提出了利用頻譜儀和標準增益喇叭測量衛(wèi)星信標EIRP的方法，簡述了測量方法程序，并給出測量實例。實踐證明：該方法是切實可行的，在實際工程測量中值得推廣和應用。

1測量原理和方法

利用標準增益喇叭測量衛(wèi)星信標EIRP的原理方框圖如圖1所示。圖1中LNA為高增益低噪聲放大器，且其增益精確標定，低噪放大器輸入端口要求為波導口，可與標準增益喇叭直接連接，以減少測量誤差；標準增益喇叭要求為高增益標準喇叭，且增益已知，例如常用的X波段、Ku波段和Ka波段標準喇叭，其增益要求大于或等于25dBi；安裝標準增益的裝置方位、俯仰和極化的調整，從而實現(xiàn)標準喇叭與衛(wèi)星精確對準。

圖1　衛(wèi)星信標EIRP測量的原理方框圖

利用標準增益喇叭測量衛(wèi)星信標EIRP的原理方法是：按照圖1建立測試系統(tǒng)，利用衛(wèi)星信標，調整標準增益喇叭指向衛(wèi)星，微調安裝喇叭裝置的方位和俯仰，使頻譜分析儀接收的衛(wèi)星信標信號最大，微調標準增益喇叭的極化使其與衛(wèi)星信標極化匹配，此時認為待測天線的波束中心已對準衛(wèi)星，則用分貝表示的頻譜分析儀測量衛(wèi)星信標信號的功率電平為[6，7]：

Pm=EIRPs-LP-Latm+GS+GLNA-LRF

(1)

式中：

Pm―頻譜分析儀測量的信號功率電平，dBm；

EIRPs―衛(wèi)星信標EIRP，dBm；

LP―自由空間傳播損耗，dB；

Latm―大氣衰減，dB；

GS―標準喇叭增益，dBi；

GLNA―低噪聲放大器增益，dBi；

LRF―標準天線和頻譜分析儀之間射頻電纜損耗，dB。

由式(1)可求得衛(wèi)星信標EIRP為：

EIRPs=Pm+LP+Latm-GS-GLNA+LRF

(2)

式(2)為衛(wèi)星信標EIRP測量原理方程。式中GS已知，低噪聲放大器增益GLNA和電纜射頻衰減LRF通過測量獲得。已知地面站位置和衛(wèi)星經度，地面站天線到衛(wèi)星的距離為[8]：

(3)

式中：d―測試點至衛(wèi)星的距離,m；

φ―地面站緯度，°；

Δλ―地面站經度與衛(wèi)星經度差，°；

H―星下點到衛(wèi)星的距離，35860km；

R―地球的半徑，6373km。

計算出地面站到衛(wèi)星距離，則自由空間傳播損耗為：

(4)

式(4)中λ為工作波長。

大氣衰減Latm是頻率、天線仰角和大氣層的函數。它隨頻率的增加而增加，隨天線仰角的增大而減小。假定測量條件為晴朗天空，并且大氣層被模型化為標準大氣層，當天線仰角在5°～90°時，用分貝表示的大氣衰減Latm為[9，10]：

(5)

式中：

EL—天線仰角，°；

γ0—干燥空氣與頻率相關的衰減因子，dB/km；

h0—干燥空氣的有效大氣路徑，km；

γw—水蒸氣與頻率相關的衰減因子，dB/km；

hw—水蒸氣的有效大氣路徑，km。

式(5)中的γ0、h0、γw和hw可用Rec.ITU-R P.676-7給出的近似公式進行計算。圖2給出了天頂方向，1～30GHz標準大氣的衰減曲線。一般工程測量中，由圖2確定天頂方向的大氣衰減Latm90，利用下式近似計算不同仰角的大氣衰減。

(6)

圖2　標準大氣天頂方向的大氣衰減曲線

由上面分析可知：只要用標準增益喇叭測量出其接收的衛(wèi)星信標信號的電平，很容易確定出衛(wèi)星信標EIRP的大小。如果衛(wèi)星信標為圓極化，則用標準增益喇叭分別測量出水平極化和垂直極化的衛(wèi)星信標EIRP，分別用EIRP//和EIRP⊥表示，衛(wèi)星信標的EIRP為：

EIRPs=10×log(10EIRP///10+10EIRP⊥/10)

(7)

2測量誤差分析

由式(2)的衛(wèi)星信標EIRP測量方程可知，利用標準增益喇叭測量衛(wèi)星信標EIRP的主要誤差有：衛(wèi)星信標信號電平的測量誤差、衛(wèi)星信標EIRP不穩(wěn)定度引起的測量誤差(衛(wèi)星信標EIRP不穩(wěn)度一般≤±0.5dB)、標準喇叭的增益校準誤差、自由空間傳播損耗引起的測量誤差、大氣衰減引起的測量誤差、射頻電纜插入損耗校準引起的測量誤差、極化損失誤差、天線指向損耗誤差和低噪聲放大器增益測量引起的誤差等。表1所示為衛(wèi)星信標EIRP測量均方根誤差的估算結果。由表1可知利用標準增益喇叭測量衛(wèi)星信標EIRP的均方根誤差小于或等于±0.614dB。

表1　衛(wèi)星信標EIRP值測量的均方根誤差

3測量實例

圖3　衛(wèi)星信標EIRP測量實際裝置圖

這里以中星10號衛(wèi)星水平極化信標為例，說明用標準增益喇叭測量衛(wèi)星信標EIRP的方法程序。圖3所示為實際測試裝置圖。

測試時間為2015年10月27日下午，測試地點石家莊，天氣晴。已知衛(wèi)星的軌道位置為110.5°E，水平極化信標頻率12.745GHz，標準喇叭增益為25.4dBi，射頻測試電纜損耗7.31dB，低噪聲放大器增益為61.38dBi，自由空間傳播損耗為206.01dB，大氣衰減為0.09dB。

按照圖2所示測試原理裝置，調準標準喇叭的方位和俯仰，使喇叭波束中心對準衛(wèi)星，微調喇叭極化與衛(wèi)星信標極化匹配，然后在微調標準喇叭的方位和俯仰，此時認為標準增益喇叭指向對準衛(wèi)星，且極化匹配，頻譜儀接收的衛(wèi)星信標信號最大，用頻譜儀碼刻測量的衛(wèi)星信標信號電平為-67.40dBm(此值為頻譜儀5次平均結果)，利用式(2)計算衛(wèi)星信標EIRP為59.23dBm，即29.23dBW。

4結束語

衛(wèi)星信標是表征衛(wèi)星存在和特征的一種特殊信號，是衛(wèi)星的重要性能參數之一。本文介紹了利用標準增益喇叭測量衛(wèi)星信標EIRP的方法，分析了其測量誤差。討論了大氣衰減近似計算方法，給出了便于工程應用的數值曲線。最后，給出了工程測量實例，驗證了該方法的可行性。實踐證明：該方法是切實可行的，在衛(wèi)星信標EIRP測量中，具有推廣和工程應用價值。

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Measurement and error analysis of satellite beacon EIRP using spectrum analyzer

WANG Hai,QIN Shun-you,CHEN Hui

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Abstract:In this paper,measuring principle and method of satellite beacon EIRP are put forward using spectrum analyzer and standard gain horn.Principle equation of measuring satellite beacon EIRP is derived.A simple formula and approximate method of attenuation calculation by atmospheric gases are described simply.Errors of satellite beacon EIRP measurement are analyzed,results show that RMS error of EIRP measurement is loss than or equal to ±0.614dB.At last,measuring example is given,and the method feasibility is proved.

Keywords:Spectrum analyzer; Standard gain horn; Satellite beacon; EIRP measurement; error analysis

中圖分類號：TM933.3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-9383(2016)01-0022-05

作者簡介:王海(1975-)，男，河北廊坊人，高級工程師，主要從事研究的領域為：微波與天線測量技術.

收稿日期：2016-01-05