利用載噪比比較法測量天線G/T值研究

侯長滿1，趙亭軍，劉 丞，馬榮祥，王 帥

(1.中國人民解放軍92493部隊(duì)12分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000；2.北京航天科工世紀(jì)衛(wèi)星科技有限公司，北京 100176)

0 引言

近些年來，無線電技術(shù)發(fā)展迅速，有源陣列天線信號收發(fā)系統(tǒng)在很多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，例如航天測控、衛(wèi)星導(dǎo)航、數(shù)字移動通訊等領(lǐng)域。有源陣列天線的定義是由天線陣列中的每一個輻射單元或子陣通道與有源電路(主要是T/R組件)直接連接而組成的接收或者發(fā)射電磁波的系統(tǒng)，對于任意有源單元，可以作為輻射/接收單元來輻射/接收電磁信號，也可以作為電路的一部分，具有諧振、濾波、功率放大等作用。

G/T值，地球站品質(zhì)因數(shù)，定義是天線系統(tǒng)的增益G與接收系統(tǒng)噪聲溫度T的比值，在信道各參數(shù)中，是一個十分重要的技術(shù)指標(biāo)[1]，可以作為質(zhì)量指標(biāo)衡量地面站的靈敏度，G/T值越高，意味著地面站檢測來自衛(wèi)星信號的能力越強(qiáng)。在研究中，測量G/T值的方法主要有兩種，直接法和間接法。射電天文法一般是直接法的代表[2-3]，對于這種方法，“看得見、保精度、跟得上”是李文縫紉為其總結(jié)的測量G/T值的三原則[4-5]。除此之外，衛(wèi)星載噪比法也屬于直接法，但其局限性同樣明顯，主要體現(xiàn)在應(yīng)準(zhǔn)確已知各種增益修正因子還有衛(wèi)星的等效各向同性輻射功率EIRP(equivalent isotropic radiated power)。分別測量出天線的接受增益和系統(tǒng)噪聲溫度，從而計(jì)算G/T值[6-8]是采用眾多的間接法。對于無源天線系統(tǒng)，間接法是適合的。但想測量有源天線，很難測得天線系統(tǒng)噪聲溫度。對于天線固定不動，或者射頻信號輸出為數(shù)字合成波束這些特別類型的天線，無法用傳統(tǒng)的測量增益方法實(shí)現(xiàn)測量。這兩種方法測量起來比較復(fù)雜，且測量的重復(fù)性差。針對這些問題，陳輝等人利用衛(wèi)星源測量有源天線[9-10]，提出一種利用衛(wèi)星源測量有源陣列天線G/T值的簡便方法，各類有源天線均可使用該方法，并且這種方法也適用與無源天線以及固定和移動天線的測量。同時，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星的等效各向同性輻射功率EIRP、地貌修正因子As和自由空間傳播損耗Lp均可精確計(jì)算或測量，利用載噪比直接法測量G/T值簡單、方便[11-12]。并且還具有如下特點(diǎn)：

1)利用衛(wèi)星源法直接測量G/T值，滿足遠(yuǎn)場測試條件；

2)測量進(jìn)行于天線工作條件下，所以測出的G/T值為系統(tǒng)的工作G/T值；

3)可使周邊環(huán)境、位于地面的建筑物等引起的多重反射對測試結(jié)果的影響達(dá)到最??；

4)可重復(fù)進(jìn)行測量。

由此可見，載噪比直接法測量有一定的優(yōu)點(diǎn)，所以許多方法是利用載噪比直接法來進(jìn)行測量[3]。

綜上所述，載噪比直接法有所優(yōu)勢，也有不足，本文將列舉介紹幾種常規(guī)的測試方法，并通過工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，解決G/T值測試需求，本文將介紹利用載噪比比較法嘗試測量天線G/T值，描述出測試步驟，分析測試結(jié)果，得出測試結(jié)論。

1 G/T值測試常規(guī)方法簡介

本文介紹3個被用戶普遍采用的G/T值測試方法，分別是射電天文法，信標(biāo)塔法和衛(wèi)星法。

1.1 射電源法

射電源法測量G/T值是利用宇宙射電原作為噪聲功率源，通過公式計(jì)算出Y因子，在通過理論計(jì)算配合地球站已知參數(shù)，計(jì)算出待測天線的G/T值，該測試方法精密度高，測試較為準(zhǔn)確，但是所需環(huán)境較為復(fù)雜。在工程實(shí)施中難以實(shí)現(xiàn)。

1.2 信標(biāo)塔法

通過建立標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)塔，提供標(biāo)準(zhǔn)信號，對被測天線進(jìn)行測試，信號塔上天線標(biāo)準(zhǔn)已知，兩站之間光學(xué)距離已知，通過讀取下行中頻信號與噪聲功率增譜密度的比值，就可通過計(jì)算公式的到待測天線的G/T值。該方法還需建立信標(biāo)塔，還需在測試地點(diǎn)附近有合適高度的山頭，故不適宜低成本工程實(shí)施。

1.3 衛(wèi)星法

衛(wèi)星法是指利用未調(diào)制的測試載波，或衛(wèi)星信標(biāo)，由頻譜儀直接測量出下行單載波的載波功率和噪聲功率比，從而計(jì)算出地球站G/T值。但是該方法需要同步衛(wèi)星的密切配合，而且需發(fā)送載波獲得穩(wěn)定下行信號，期間不可控因素較多，測試精度不高，協(xié)調(diào)困難，工程上較少采用。

以上所描述的是幾種常規(guī)的G/T值測量方法，但上述方法對于測試的條件及儀器設(shè)備有較高的要求，隨著衛(wèi)星通信行業(yè)的發(fā)展，越來越多的天線設(shè)備生產(chǎn)廠家投入生產(chǎn)，越來越多的衛(wèi)星通信系統(tǒng)陸續(xù)搭建，迫切需要一種可以在地面實(shí)施，所需儀器設(shè)備簡單，操作方便，成本低廉的測試方法來進(jìn)行天線G/T的測試。我們借鑒了直接法測試G/T值的三原則即“看得見，跟得上，保精度”原則，依據(jù)工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了“載噪比比較法”來進(jìn)行G/T值的測定。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2.1 測試設(shè)備及儀器

1)標(biāo)準(zhǔn)喇叭；

2)頻譜儀(Agilent E4408B)；

3)低噪聲下變頻器(LNB，可使用天線內(nèi)部自帶的LNB)；

4)功分器(一端隔直，一端通直)；

5)調(diào)制解調(diào)器(給LNB供基準(zhǔn)信號和工作電壓)；

6)標(biāo)準(zhǔn)喇叭對星工裝(方位俯仰極化三軸可調(diào)可固定)；

7)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載。

2.2 測試系統(tǒng)連接關(guān)系

1)系統(tǒng)連接關(guān)系如下：

測試過程中，被測天線射頻物理連接至LNB，應(yīng)注意，連接部分不應(yīng)有任何泄露，LNB銅軸連接至功分器，功分器隔直端銅軸連接至頻譜儀接收口，功分器通直端連接至陪測調(diào)制解調(diào)器接收口，應(yīng)注意線纜的連接應(yīng)符合工藝規(guī)程規(guī)定，否則線纜移動會造成信號損耗，影響測試結(jié)果。

測試Y因子過程中，將標(biāo)準(zhǔn)喇叭安裝到對星工裝上，將標(biāo)準(zhǔn)喇叭物理連接至LNB，LNB銅軸連接至功分器，功分器隔直端銅軸連接至頻譜儀接收口，功分器通直端連接至陪測調(diào)制解調(diào)器接收口。連接要求同上。

2)天線G/T值測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 天線G/T值測試系統(tǒng)框圖

2.3 測試原理

本方法采用載噪比比較法測量G/T值，基本原理如下：

標(biāo)準(zhǔn)喇叭的G/T值可用下式獲得：

(G/T)S=GS- 10lgTS

(11)

式中,GS為標(biāo)準(zhǔn)喇叭的增益；TS為喇叭的噪聲。TS計(jì)算方法如下：

TS= (T0+TLNB) /Y

(12)

式中,T0表示環(huán)境溫度(K)—即為現(xiàn)場溫度；TLNB表示LNB的噪聲溫度；Y表示標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的Y因子。TLNB和Y分別通過如下計(jì)算獲得：

TLNB= (10NF/10-1 )×T0

(13)

Y= 10[(P負(fù)載- P喇叭)/10]

(14)

式中，P負(fù)載和P喇叭分別表示LNB連接匹配負(fù)載和喇叭的接收電平，NF為噪聲系數(shù)(需要用噪聲分析儀標(biāo)定)。

待測天線和標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭分別目標(biāo)衛(wèi)星信標(biāo)，可獲得各自的歸一化載噪比(C/N0)X和(C/N0)S。

有上述數(shù)據(jù)后，即可用下式計(jì)算被測天線的G/T值：

G/T= (G/T)S+ (C/N0)X- (C/N0)S

(15)

由此得出基于載噪比比較法的G/T值測試方法。

3 測試步驟

測試步驟如下：

1)選擇晴天、微風(fēng)、凈空、空曠、周邊環(huán)境較安靜的情況下，測試現(xiàn)場的環(huán)境溫度T0，將天線(帶天線罩)置于無遮擋的空曠水平地面上，將待測天線的波導(dǎo)口連接至LNB輸入端，LNB輸出端經(jīng)功分器連接至頻譜儀；作為對比，標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭使用同一套LNB、功分器、線纜及頻譜儀；頻譜儀、功分器、LNB等設(shè)備需經(jīng)過標(biāo)校，設(shè)備性能穩(wěn)定。

2)啟動調(diào)制解調(diào)器，頻譜儀，功分器，LNB等設(shè)備，預(yù)熱3～5分鐘使測試設(shè)備能夠正常工作(不同設(shè)備的預(yù)熱時間不同，需依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定)；

3)將LNB和頻譜儀接到待測天線上，LNB和待測天線為物理連接，該連接需有經(jīng)驗(yàn)的工程師進(jìn)行安裝，保證信號不泄露，通過ACU控制天線對準(zhǔn)指定的目標(biāo)衛(wèi)星；通過調(diào)整頻譜儀，使得信標(biāo)顯示在主窗口，marker到信標(biāo)峰值后，調(diào)整span逐漸減小，最終調(diào)整至span等于0，使得marker點(diǎn)始終保持在信標(biāo)峰值，開啟持續(xù)掃描，控制掃描速度，觀察頻譜儀面板然后調(diào)整天線參數(shù)，使得對星信標(biāo)值最大，然后恢復(fù)span值，重復(fù)上述步驟多次，再使用頻譜儀觀察衛(wèi)星信標(biāo)等參數(shù)，確認(rèn)信標(biāo)頻率，電平不再有明顯變化，系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定；

4)設(shè)置頻譜儀參數(shù)：RBW參數(shù)為3 kHz，VBW參數(shù)為100 Hz，SPAN參數(shù)為50 kHz，AVG參數(shù)為100，利用頻譜儀記錄接收信號的電平數(shù)據(jù)，然后將天線方位角偏開衛(wèi)星方位角10°該角度為對星角度，需經(jīng)過水平儀測試后，經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換為天線本身的水平角度，記錄此時的噪聲基底電平線，利用頻譜儀讀出此時的噪聲譜密度N0(噪聲基底Marker位置統(tǒng)一為掃描中間點(diǎn))，計(jì)算獲得待測天線的歸一化載噪比，重復(fù)5次，記錄平均值；

5)將LNB和頻譜儀接到標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭上，通過調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)喇叭對星工裝來調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的方位、俯仰和極化，使標(biāo)準(zhǔn)喇叭對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星，在調(diào)整喇叭的位置的同時，重復(fù)d)操作中頻譜儀在對星時的操作步驟，觀察衛(wèi)星信標(biāo)電平值，電平值最高且穩(wěn)定時，默認(rèn)為喇叭對準(zhǔn)衛(wèi)星，統(tǒng)計(jì)固定好對星工裝，利用頻譜儀記錄測試的電平數(shù)據(jù)，然后將標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭偏開衛(wèi)星方向10°，記錄此時的噪聲基底電平線，利用頻譜儀讀出此時的噪聲譜密度N0(噪聲基底Marker位置統(tǒng)一為掃描中間點(diǎn))，計(jì)算獲得待測天線的歸一化載噪比，重復(fù)5次，記錄平均值(頻譜儀的設(shè)置同上)；

6)測試標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的Y因子：在測試過程中，需注意喇叭口和匹配負(fù)載的朝向保持載噪比噪聲基底測試的位置，頻譜儀參數(shù)設(shè)置：RBW參數(shù)為1 MHz，VBW參數(shù)為1 kHz，SPAN參數(shù)為0 kHz，AVG參數(shù)為100，然后按照測試原理中的等式計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的G/T值，并根據(jù)比對法計(jì)算獲得待測天線的G/T值；

7)根據(jù)測試需求，更換接收頻率和極化方式，重復(fù)第3步到第6步，記錄數(shù)據(jù)。

4 測試結(jié)果及分析

4.1 測試結(jié)果

本試驗(yàn)測試產(chǎn)品為由我單位生產(chǎn)的XX型號0.9 mKu頻段平板陣列動中通微信天線，該產(chǎn)品在10度仰角、清空、80 K/LNA以及帶罩測試的測試條件下，產(chǎn)品仿真結(jié)果為16.8 dB/K，本測試最終測量結(jié)果為15.5 dB/K，十分接近仿真結(jié)果，該測試結(jié)果相較于產(chǎn)品的仿真結(jié)果偏低。

4.2 測試結(jié)果偏離原因分析

1)仿真結(jié)果本身會有指標(biāo)偏離;

2)測試條件為工程條件，不是實(shí)驗(yàn)室條件，在測試的過程中，收到多方因素影響，測試結(jié)果相較理論值有些許偏離;

3)在實(shí)施過程中，線纜的轉(zhuǎn)接，LNB的更換安裝，都會造成測試結(jié)果的偏離，可通過多次測試，多頻點(diǎn)測試來盡量避免工程誤差。

4.3 測試條件分析

該試驗(yàn)測量條件為工程條件，選用的儀器設(shè)備頻譜儀、低噪聲下變頻器、功分器、調(diào)制解調(diào)器等均為衛(wèi)星通信調(diào)試過程中的常見設(shè)備，其中，設(shè)備中最可能影響到測試結(jié)果的，有可能是調(diào)制解調(diào)器提供的參考信號不穩(wěn)定，導(dǎo)致LNB在測試過程中返回到頻譜儀的參數(shù)產(chǎn)生波動，對試驗(yàn)結(jié)果帶來影響，解決辦法是在測試之前進(jìn)行設(shè)備預(yù)熱，通過觀察衛(wèi)星對星信標(biāo)值的頻率以及電平變化，來保證整套系統(tǒng)在測試過程中的穩(wěn)定性。

其次，在試驗(yàn)過程中，環(huán)境的溫度對試驗(yàn)的結(jié)果影響較大，測試過程中一定要按照晴天、微風(fēng)、凈空、空曠、周邊環(huán)境較安靜的標(biāo)準(zhǔn)來選擇測試位置，這樣可以使測試結(jié)果盡可能接近真實(shí)結(jié)果。

4.4 測試結(jié)果分析：

通過比較法測量G/T值，本實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果和仿真結(jié)果相比較為接近，按照本測試方法測試出的結(jié)果相較仿真結(jié)果偏低，經(jīng)過多次測試，在符合實(shí)驗(yàn)條件要求的情況下，本測試方法所測得的試驗(yàn)結(jié)果，和仿真結(jié)果的誤差可以控制在3 dB/K以內(nèi)，滿足工程測試要求，可以用做系統(tǒng)鏈路計(jì)算過程中的參考。

4.5 測試方法分析

該測試方法能夠?qū)崿F(xiàn)對于地球站G/T值得多次測量，且測試結(jié)果基本可以滿足工程上的應(yīng)用，但是測試所需環(huán)境需要使得環(huán)境噪聲盡量低，故測試的時間地點(diǎn)選擇較為考究，一般測試G/T值的地理位置與地球站開通位置不同，這就要求進(jìn)行本測試的時間與位置盡可能的接近理想位置。

與其他測試方法相比，本測試所需要的設(shè)備更加簡單，工程實(shí)施更加便捷，可行性較強(qiáng)，而且與標(biāo)準(zhǔn)相比達(dá)到的準(zhǔn)確度也比較高。這證明我們的測試方法的確行之有效，且操作更為簡便，對于G/T值測試的可實(shí)現(xiàn)性有了一定程度的提高。

地面站品質(zhì)因數(shù)G/T值是衡量地面站接收性能的重要指標(biāo)，是進(jìn)行衛(wèi)通系統(tǒng)鏈路；設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，該測試方法可以解決工程上G/T值測試的需求，對于天線生產(chǎn)單位，系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位的工程實(shí)施有著實(shí)際幫助。

本試驗(yàn)方法適用于Ku頻段各型線極化衛(wèi)星天線的測試，其他頻段或極化方式的衛(wèi)星天線的G/T值測試，使用本方法測試的效果，未經(jīng)過作者驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

本文闡述了載噪比比較法測量G/T值的原理方法和特點(diǎn)，利用標(biāo)準(zhǔn)喇叭、頻譜儀、低噪聲下變頻器和功分器等幾種簡單器材，自行設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)，來測試實(shí)際情況下的天線系統(tǒng)的增益G與接收系統(tǒng)噪聲溫度T比值G/T值，這個指標(biāo)的準(zhǔn)確測量可以衡量地面站靈敏度的質(zhì)量。在操作流程簡便，參試工具簡單的條件下，本文設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)依舊測量出了與標(biāo)準(zhǔn)值相近的結(jié)果，相對于其他多種測量方式，本方法實(shí)行性更強(qiáng)，實(shí)用性更好。尤其在中國地處偏遠(yuǎn)、交通不便的條件下，測試儀器簡單、實(shí)用性更強(qiáng)的系統(tǒng)更容易進(jìn)行操作，從而節(jié)省成本，也能保證實(shí)際測試準(zhǔn)確進(jìn)行。