DTH一體化平板天線增益測量方法

于衛(wèi)東 ，于少飛 ，李 勇 ，王蘭貴，楊 波

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.江蘇省常州外國語學(xué)校，江蘇 常州 213000；3.中國人民解放軍32620部隊，青海 西寧 810000)

0 引言

直播衛(wèi)星電視(Direct to Home，DTH)的出現(xiàn)，使最初的4 GHz頻率提高到12 GHz，波長變短達到2.5 cm，為平板天線的出現(xiàn)和使用提供了可能。

平板天線在接收原理和接收方式上都發(fā)生了根本改變，與傳統(tǒng)的拋物面天線完全不同。平板天線是雷達技術(shù)、微帶技術(shù)、電子技術(shù)和通信技術(shù)的綜合運用，將雷達和通信常用的陣列式天線運用到衛(wèi)星接收天線上，形成了不同技術(shù)的平板天線。此類天線是平面相控陣的高科技產(chǎn)品，如與單脈沖跟蹤技術(shù)、激光制導(dǎo)、陀螺儀和GPS定位等技術(shù)組合運用，可實現(xiàn)移動衛(wèi)星接收和衛(wèi)星通信。平板天線可掛在墻壁上，接收移動衛(wèi)星時可任意放置安裝。

在測量平板天線系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)時，其系統(tǒng)增益測量準(zhǔn)確度是非常關(guān)鍵的。由于DTH一體化平板天線是由陣列天線與高頻頭(Low Noise Block，LNB)集成在一起的組合體(封裝在非金屬罩子里)，接收頻段11.7～12.2 GHz，輸出頻段0.95～1.45 GHz，所以一體化平板天線系統(tǒng)增益是無源平板陣列天線的增益與LNB的增益之和。而采用經(jīng)典的比較法測量增益時，使用的增益基準(zhǔn)天線的接收頻段和輸出頻段都是一樣的(輸出頻段與接收頻段為11.7～12.2 GHz)。由于不同頻段采用不同的電纜傳輸，損耗差異較大，而且測試頻段差別較大時接收機內(nèi)部參數(shù)的差異也較大，由此帶來的測量誤差較大。天線增益測量的傳統(tǒng)方法在文獻[1-6]中都有介紹，但如果用于測量一體化平板天線增益，則普遍存在不能測完整或者測量準(zhǔn)確度低的問題。

因此，本文重點解決一體化平板天線系統(tǒng)增益測量準(zhǔn)確度的問題，使其既采用了經(jīng)典的比較法，又巧妙地解決了由于一體化平板天線系統(tǒng)輸出變頻而造成的不能同頻比較增益的難題。

1 直播衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)組成

直播衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)若使用平板天線，其系統(tǒng)組成是由平板天線(包含LNB)和室內(nèi)單元(通稱接收機)組成，如圖1所示。在平板天線和室內(nèi)單元之間可連接L頻段功分器，能夠?qū)崟r接收同一衛(wèi)星傳送的多套衛(wèi)星電視節(jié)目。

圖1 直播衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)Fig.1 Receiving system of direct-broadcast satellite TV

2 一體化平板天線的特點和電性能指標(biāo)要求

平板天線[7-13]分為有源和無源2種，從技術(shù)上又可分為振子平板天線和縫隙平板天線。有源平板天線采用的是微電路技術(shù)；無源平板天線是在透明表面中覆蓋了很多由金屬構(gòu)成的縫隙、同心圓，從而形成一個電子透鏡用于聚集信號。DTH一體化平板天線是有源平板天線，它把陣列式天線移植到Ku波段衛(wèi)星電視接收天線上，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式可分為微帶型、波導(dǎo)型、帶狀線型和螺旋型等。所謂陣列式天線，是將眾多半波振子單元有規(guī)律地排成行和列而形成，如圖2所示。通常每個相鄰半波振子單元之間，包括行距與列距都相隔半個波長的整數(shù)倍，從而構(gòu)成一個天線陣。半波振子的單元數(shù)量取決于平板天線的增益，振子單元愈多，增益愈高。

平板天線中的天線陣對相位的同相性要求極其嚴(yán)格。平板天線中的輻射單元饋電是一個難度較高的技術(shù)性問題，必須保證各輻射單元間是同相饋電，才能使平板天線有較高的增益和較強的方向性。

(a) 波導(dǎo)饋電的圓極化陣列天線

(b) 徑向饋電的螺旋圓極化陣列天線圖2 DTH平板天線典型產(chǎn)品照片F(xiàn)ig.2 Typical product photos of DTH planar antenna

平板天線主接收方向垂直于天線面的法線方向，但也可以通過控制平板天線各輻射單元之間饋電相位來改變主波束與平板天線的夾角，從而實現(xiàn)方位角和俯仰角的電氣調(diào)整。這是平板天線的一大特點和技術(shù)難點，但調(diào)整的角度不能太大，否則天線的有效投影面積將減少，效率與增益也隨之降低。

平板天線口徑面積利用率高、體積小、低剖面、可共形，具有良好的輻射性能，輻射單元與饋線網(wǎng)絡(luò)易于集成，易于實現(xiàn)較低副瓣等特點，所以廣泛應(yīng)用于車載/機載等“動中通”、導(dǎo)航、雷達等領(lǐng)域。

平板天線各輻射單元是靠微帶線來饋電聯(lián)接的，饋電線路要解決電路阻抗匹配和相位的聯(lián)接問題。電波在振子處已變?yōu)楦袘?yīng)電流，各饋線集中匯總后可以直接以電流形式傳輸給LNB中的下變頻器。既不需要饋源，也減少了由電波的電場形式轉(zhuǎn)換為電流形式的損失，有利于信號的接收。此時的LNB是分布參數(shù)微帶式，通過微帶式LNB直接做在平板天線里面(如DTH一體化平板天線)，就形成了天線LNB一體化的新型結(jié)構(gòu)，既美觀又可靠。

DTH一體化平板天線電性能指標(biāo)要求[6]如表1所示。

表1 DTH一體化平板天線電性能指標(biāo)要求

3 衛(wèi)星電視接收天線增益測量的傳統(tǒng)方法

天線增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想點源在空間同一點處輻射強度之比，用來衡量天線輻射能量的集中程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。在滿足遠場測試條件下，衛(wèi)星電視接收天線增益測量的傳統(tǒng)方法有以下幾種。

3.1 比較法

比較法測量天線增益的實質(zhì)是將待測天線的增益與已知天線標(biāo)準(zhǔn)增益進行比較而得出待測天線的增益。其增益標(biāo)準(zhǔn)天線是增益測量的主要誤差源：

G=GS+(Px-PS)，

(1)

式中，G為待測天線增益，單位dBi；GS為標(biāo)準(zhǔn)天線增益，單位dBi；Px為待測天線接收的信號功率電平，單位dBm；PS為標(biāo)準(zhǔn)天線接收的信號功率電平，單位dBm。

3.2 三天線法

設(shè)3個天線的增益分別為GA，GB,GC，將它們兩兩組合，一收一發(fā)，在保證測量距離相同的情況下(RAB=RBC=RCA=R)，增益分別為：

GA(dB)=[Ld-P0+(Prab+Prac-Prbc)] ，

(2)

GB(dB)=[Ld-P0+(Prbc+Prab-Prac)] ，

(3)

GC(dB)=[Ld-P0+(Prbc+Prac-Prab)] ，

(4)

式中，Ld=20lg(4πR/λ) 為自由空間損耗；P0為源天線的輸入功率(dBm)；Prab,Prac,Prbc為相應(yīng)一收一發(fā)組合時接收天線的輸出功率(dBm)

3.3 波束寬度法

波束寬度法是通過測量天線方向圖的E/H面半功率波束寬度，即3 dB點的波束寬度及10 dB波束寬度、天線表面精度和饋源插入損耗，從而計算天線增益的方法:

(5)

式中，G為待測天線增益，單位dB；θ3AZ為方位方向圖的半功率波束寬度，單位(°)；θ3EL為俯仰方向圖的半功率波束寬度，單位(°)；θ10AZ為方位方向圖的10 dB波束寬度，單位(°)；θ10EL為俯仰方向圖的10 dB波束寬度，單位(°)；Floss為天線饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗，單位dB；Rloss為天線表面公差引起的增益損失，單位dB。

3.4 方向圖積分法

考慮各種增益損耗因子，則方向圖積分法確定天線增益的為：

(6)

式中，δt為總損耗因子。

利用實際測量的方向圖，借助計算機軟件，利用辛普森積分法或梯形法求出式(6)的積分，即可得到天線的方向性增益。實際工程測量中，通常測量天線方位和俯仰方向圖，因此可得到天線方位和俯仰方向性增益，求出二者的平均值即為天線的方向性增益。為了確定天線增益，必須對方向性增益進行修正，即考慮各種損耗因子對天線增益的影響。

4 DTH一體化平板天線系統(tǒng)增益測量方法

一體化平板天線系統(tǒng)增益是無源陣列天線的增益與LNB的增益之和，由于這2項增益無法分開，只能測量天線系統(tǒng)增益，并且一體化平板天線系統(tǒng)的輸出頻段變成了中頻，與接收頻段不一致。

用波束寬度法和方向圖積分法測量一體化平板天線增益時測出的只是其中無源陣列天線的增益。

由于DTH一體化平板天線是由陣列天線與LNB集成在一起的有源天線，接收射頻信號，輸出中頻信號，所以該類天線只能接收，不能發(fā)射，不再是互易的。因此，在這里三天線法已經(jīng)不適用了。只能用比較法來測量一體化平板天線系統(tǒng)增益。但是，通常使用的增益基準(zhǔn)天線的輸出頻段和接收頻段是一樣的(均為11.7～12.2 GHz)，而DTH一體化平板天線系統(tǒng)輸出頻段變成了0.95～1.45 GHz，這2個輸出頻段差別較大，需用不同的傳輸電纜，損耗差異較大，而且測試頻段差別較大時接收機的內(nèi)部參數(shù)也差異較大，由此帶來的增益測量誤差較大。

一體化平板天線系統(tǒng)增益是測試難度較大的指標(biāo)。由于平板天線是陣列天線與LNB的集合體，所以將增益基準(zhǔn)天線與一個已知增益的LNB(與平板天線中內(nèi)置LNB的本振頻率及輸入輸出頻段均一致)機械連接起來，作為增益基準(zhǔn)天線組合體(增益基準(zhǔn)天線)，仍采取經(jīng)典的比較法，來測量一體化平板天線的系統(tǒng)增益。

4.1 測量框圖

測量框圖如圖3所示。

圖3 一體化平板天線系統(tǒng)增益測量框圖Fig.3 Block diagram of gain measurement for integrated planar antenna system

4.2 測量條件

(1) 被測平板天線和增益基準(zhǔn)天線與源天線具有相同的極化；基準(zhǔn)天線和LNB的增益均已精確標(biāo)定。

(2) 被測平板天線和源天線之間測量距離應(yīng)滿足：

(7)

式中，L為源天線與被測平板天線距離,單位m；D為被測平板天線最大尺寸，單位m；D為源天線最大輻射尺寸，單位m；λ為測試頻率波長，單位m。

(3) 被測平板天線應(yīng)安裝于場強基本均勻的區(qū)域內(nèi)。場強應(yīng)預(yù)先用一個半波偶極天線在被測平板天線的有效體積內(nèi)進行檢測，如果電場變化超過1 dB，則認(rèn)為試驗場是不可用的。此外，增益基準(zhǔn)天線在2個正交極化面上測得的場強差值應(yīng)小于0.5 dB。

(4) 測量用信號發(fā)生器、接收設(shè)備(如頻譜儀)等測量設(shè)備和儀表應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性、可靠性、動態(tài)范圍和測量精度，以保證測量數(shù)據(jù)的正確性。

測量用儀表應(yīng)有計量合格證，并在檢定周期內(nèi)。

4.3 測量步驟

開始測量時，必須將被測平板天線和增益基準(zhǔn)天線交替做水平和俯仰調(diào)整，以確保被測平板天線和增益基準(zhǔn)天線在水平和俯仰上的最佳指向，使其接收的功率電平為最大。具體測量步驟如下：

① 通過轉(zhuǎn)接“1”，使被測平板天線與接收設(shè)備相連接，被測平板天線與源天線對準(zhǔn)，此時接收設(shè)備接收到的功率電平為PA(dBm)；

② 通過轉(zhuǎn)接“2”，使增益基準(zhǔn)天線組合體的LNB輸出端與接收設(shè)備相連接。在增益基準(zhǔn)天線與源天線對準(zhǔn)的同時，上下連續(xù)改變基準(zhǔn)天線的高度(在安裝被測天線的有效體積內(nèi))，記錄接收設(shè)備接收功率電平的最大值Prmax(dBm)和最小值Prmin(dBm)；

③ 被測平板天線某頻點的增益：

(8)

(9)

式(8)最后一項為地面反射產(chǎn)生的增益修正；G0=G′0+GB，G0為增益基準(zhǔn)天線組合體的增益，單位dBi；G′0為基準(zhǔn)天線組合體中基準(zhǔn)天線的增益，單位dBi；GB為基準(zhǔn)天線組合體中LNB的增益，單位為dB；PA為被測天線接收到的最大電平，單位dBm；Prmax為基準(zhǔn)天線接收到的最大電平，單位dBm；Prmin為基準(zhǔn)天線接收到的最小電平，單位dBm；N為接收機分別到被測天線和基準(zhǔn)天線組合體中LNB輸出端2路衰耗的修正值，單位dB；β為地面反射修正系數(shù)；

④ 在一個頻帶內(nèi)，至少測量高、中、低3個頻率點。

4.4 測量誤差分析

由改進的比較法測量一體化平板天線增益的原理可知，影響天線增益測量精度的主要誤差源有增益基準(zhǔn)天線的增益誤差、LNB的增益誤差、極化失配引起的增益損失、阻抗失配引起的增益損失、指向誤差和有限測試距離引起的增益測量誤差等。一體化平板天線增益測量的均方根誤差[14-17]估算結(jié)果如表2所示。

表2 一體化平板天線系統(tǒng)增益測量的均方根誤差

4.5 測量實例

選取圖4所示的一體化平板天線作為樣品，其系統(tǒng)增益實測數(shù)據(jù)如表3所示，增益測試曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，該測量實例達到了提高一體化平板天線系統(tǒng)增益測量準(zhǔn)確度的效果。

(a) 天線正面

(b) 天線背面圖4 一體化平板天線測試樣品Fig.4 Test sample for integrated planar antenna

表3 一體化平板天線系統(tǒng)增益測試結(jié)果

注：由于從接收機連接增益基準(zhǔn)天線和被測天線使用的是同一根電纜，且傳輸頻率相同，因而N=0。

圖5 一體化平板天線系統(tǒng)增益測試曲線Fig.5 Gain test curve of integrated planar antenna system

5 結(jié)束語

針對DTH一體化平板天線的系統(tǒng)增益測量準(zhǔn)確性問題，采用了在增益基準(zhǔn)天線中加入已知增益的LNB的方法，并在測量計算過程中加入了增益修正，巧妙地解決了由于一體化平板天線系統(tǒng)輸出信號變頻而造成的接收功率不能同頻比較來測量增益的難題。分析了引起平板天線增益測量誤差的各種因素，給出了增益測量的均方根誤差。實測結(jié)果證明，此法嚴(yán)謹(jǐn)，簡便易行，可操作性強，測量結(jié)果準(zhǔn)確度高，具有較好的參考價值。

此測量方法可以推廣到將LNB集成在一起的射頻組件 (如天線一體化饋源)的增益測量中，具有廣泛的推廣價值。