天線饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗測(cè)量方法

秦順友，劉小勇

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.火箭軍裝備部駐廊坊地區(qū)軍事代表室，河北 廊坊 065000)

0 引言

天線饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由微波網(wǎng)絡(luò)和饋源喇叭組成，它是反射面天線的心臟，其性能好壞直接影響反射面天線的性能。如插入損耗直接影響反射面天線的增益或效率，也會(huì)增加天線系統(tǒng)的噪聲溫度，從而降低系統(tǒng)靈敏度[1]。在衛(wèi)星通信測(cè)控站系統(tǒng)中，常用波束寬度法[2]或方向圖積分法[3]確定天線增益，需要精確確定饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗；在射電望遠(yuǎn)鏡和深空探測(cè)等低噪聲應(yīng)用系統(tǒng)中，精確確定饋源網(wǎng)絡(luò)損耗噪聲對(duì)系統(tǒng)噪聲溫度的貢獻(xiàn)也是非常重要的[4]。射電星通量密度校準(zhǔn)、大氣衰減測(cè)量和微波宇宙背景噪聲測(cè)量中都需要精確校準(zhǔn)天線饋源網(wǎng)絡(luò)的損耗[5]。

天線饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的插入損耗通常很小，測(cè)量比較困難，文獻(xiàn)[6]介紹了衰減測(cè)量的常用方法有：功率比法、替代法和功率反射法等；另外有很多文獻(xiàn)介紹了饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量方法，如雙定向耦合器法[7]、可變短路法[8]、標(biāo)準(zhǔn)衰減器法[9]和噪聲溫度法等[10]。這些測(cè)量方法均去掉了饋源喇叭，測(cè)量了饋源網(wǎng)絡(luò)的損耗，其結(jié)果忽略了喇叭損耗，是不準(zhǔn)確的。關(guān)于天線饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)損耗測(cè)量方面，文獻(xiàn)[5]介紹了輻射計(jì)法測(cè)量天線饋源部件損耗，喇叭損耗由理論計(jì)算獲得，這樣計(jì)算和測(cè)量結(jié)合可確定天線饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)損耗；文獻(xiàn)[11]介紹了短路法測(cè)量圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)損耗的方法；文獻(xiàn)[12]介紹了貼片陣列天線插入損耗的測(cè)量方法。由此可見，精確測(cè)量天線饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗是很重要的，研究天線饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的測(cè)量方法不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗測(cè)量方法進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，在現(xiàn)有測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，對(duì)天線饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗測(cè)量方法進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，提出了Y因子法和比較Y因子法。實(shí)踐證明，這些方法是切實(shí)可行的。

1 短路法

1.1 測(cè)量原理方法

短路法測(cè)量天線饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的基本原理是：當(dāng)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的喇叭口短路時(shí)，通過測(cè)量系統(tǒng)的反射損耗來(lái)計(jì)算饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的插入損耗。測(cè)量方法和程序同短路法測(cè)量網(wǎng)絡(luò)損耗類似[13]。

短路法測(cè)量線極化饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的原理框圖如圖1所示。

圖1 短路法測(cè)量線極化饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗原理Fig.1 Principle block diagram of measuring insertion loss of linearly-polarized feed network system by short-circuit method

圖1中,隔離器是為了抑制源反射的影響，對(duì)于多端口饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其他端口接匹配負(fù)載。

短路法測(cè)量線極化饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的方法是：按照?qǐng)D1建立測(cè)試系統(tǒng)，首先在定向耦合器輸出端口接短路器，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)測(cè)量；然后，去掉定向耦合器輸出端口的短路器，將其與待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)端口連接，且饋源網(wǎng)絡(luò)的喇叭口接短路器，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量反射損耗的大小，其結(jié)果除2可得饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的插入損耗。

對(duì)于圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)，因喇叭口短路會(huì)改變?nèi)肷潆姶挪ǖ臉O化旋向，其測(cè)量原理框圖與線極化饋源網(wǎng)絡(luò)測(cè)量框圖是不同的。短路法測(cè)量圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的原理框圖如圖2所示。

圖2 短路法測(cè)量圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗原理Fig.2 Principle block diagram of measuring insertion loss of circularly polarized feed network system by short-circuit method

由圖2的測(cè)試原理框圖可知，短路法測(cè)量的圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗要求待測(cè)圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)是頻譜復(fù)用的，即至少有2個(gè)正交圓極化接收端口或2個(gè)正交的圓極化發(fā)射端口。因?yàn)閺酿佋淳W(wǎng)絡(luò)的左旋圓極化端口(LHCP)發(fā)射信號(hào)，喇叭口短路后的反射信號(hào)變成右旋圓極化(RHCP)信號(hào)，由右旋圓極化端口輸出，反之亦然。

按照?qǐng)D2所示原理框圖建立測(cè)試系統(tǒng)，首先將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀射頻輸出端口波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換與輸入端口波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換對(duì)接，進(jìn)行系統(tǒng)定標(biāo)測(cè)量；然后將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀射頻輸出端口波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器接饋源網(wǎng)絡(luò)的LHCP端口(或RHCP端口)，輸入端口波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換接饋源網(wǎng)絡(luò)的RHCP端口(或LHCP端口)，喇叭口接短路器，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測(cè)量系統(tǒng)反射損耗的大小，其結(jié)果的一半即得到饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的插入損耗。

1.2 測(cè)量實(shí)例

給出2個(gè)工程測(cè)量實(shí)例，說明短路法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的方法。

測(cè)量實(shí)例1：以標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)損耗測(cè)量為例，當(dāng)波導(dǎo)傳輸主模時(shí)，其損耗理論上可進(jìn)行精確計(jì)算。2.8 m長(zhǎng)BJ-40矩形波導(dǎo)損耗測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 BJ-40矩形波導(dǎo)損耗測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of BJ-40 rectangular waveguide loss

由圖3可以看出，實(shí)測(cè)波導(dǎo)插入損耗波動(dòng)較大，主要由于多重反射引起。在誤差允許范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果吻合很好。如果對(duì)測(cè)量曲線極大值包絡(luò)和極小值包絡(luò)進(jìn)行平均，其結(jié)果同理論計(jì)算結(jié)果吻合更好。

測(cè)量實(shí)例2：以Ka波段圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，說明短路法測(cè)量圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的方法。Ka波段圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖4所示，接收頻段饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖4 Ka波段圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Fig.4 Ka-band circularly polarized feed network system

圖5 Ka波段圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗測(cè)量結(jié)果Fig.5 Test results of insertion loss for Ka-band circularly polarized feed network system

由圖5可以看出，饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗不僅波動(dòng)很大，而且出現(xiàn)了奇異點(diǎn)，這些點(diǎn)的數(shù)值并不能真正表征饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的特性，主要因?yàn)閷拵ю佋淳W(wǎng)絡(luò)多模效應(yīng)引起。另外，多重反射也是引起測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)損耗波動(dòng)的原因。

在19.2～21.2 GHz頻段內(nèi)，共有6個(gè)奇異點(diǎn)，按照?qǐng)D5中紅色虛線位置去除奇異點(diǎn)，然后對(duì)測(cè)量的駐波形式的曲線采用包絡(luò)平均的方法，可對(duì)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的插入損耗進(jìn)行評(píng)估[14]。

短路法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗簡(jiǎn)單、方便，但因?qū)拵ю佋淳W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)常存在多模傳輸，且喇叭口短路存在多重反射，測(cè)量誤差很大，工程中常用該方法對(duì)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗進(jìn)行評(píng)估。

2 增益方向性法

2.1 測(cè)量原理方法

增益方向性法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的基本思想是：通過測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功率增益和方向性增益，確定饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的方法?？杀硎緸閇15]：

ILFNS=DFNS-GFNS,

(1)

式中，ILFNS為饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的插入損耗，單位dB；GFNS為饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功率增益，單位dBi；DFNS為饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的方向性增益，單位dBi。

饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)增益測(cè)量方法很多，如兩相同天線法、比較法、緊縮場(chǎng)法和近場(chǎng)法等[16]。下面介紹經(jīng)典比較法。比較法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)增益的原理框圖如圖6所示。

圖6 比較法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)增益的原理框圖Fig.6 Principle block diagram of feed network gain measurement by comparative method

圖6中，R為發(fā)射喇叭與待測(cè)饋源喇叭之間的距離，應(yīng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件。按照?qǐng)D6建立饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)試系統(tǒng)，首先按照經(jīng)典增益比較法的方法程序，測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功率增益為：

GFNS=GSGH+PFNS-PSGH，

(2)

式中，GSGH為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的增益，單位dBi；PFNS為待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射喇叭對(duì)準(zhǔn)時(shí)，頻譜儀測(cè)量的信號(hào)功率電平，單位dBm；PSGH為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭與發(fā)射喇叭對(duì)準(zhǔn)時(shí)，頻譜儀測(cè)量的信號(hào)功率電平，單位dBm。

然后，由實(shí)測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的方向圖或理論計(jì)算饋源喇叭方向圖，利用數(shù)值積分方法，計(jì)算待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的方向性增益DFNS[17]。根據(jù)測(cè)量的饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功率增益和方向性增益，由式(1)計(jì)算饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的插入損耗。

式(2)為發(fā)射喇叭、標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭與待測(cè)饋源喇叭極化均匹配情況下，比較法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)增益的原理公式。在實(shí)際工程測(cè)量中，發(fā)射喇叭和標(biāo)準(zhǔn)喇叭一般為線極化，待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可工作于線極化或圓極化。當(dāng)待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)為圓極化時(shí)，應(yīng)考慮極化失配的影響。假設(shè)待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軸比為AR(dB)，則比較法測(cè)量圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)的增益為[18]：

GFNS=GSGH+PFNS-PSGH+CFCP,

(3)

式中，CFCP為極化損失修正因子，

(4)

式(2)和式(3)均為阻抗匹配情況下，比較法測(cè)量增益的原理公式，實(shí)際上，完全匹配是不存在的。發(fā)射喇叭、待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的失配必將引起增益測(cè)量誤差，從而引起插入損耗測(cè)量誤差。在實(shí)際工程測(cè)量中，為了減小阻抗失配誤差，常在信號(hào)源的輸出端和頻譜儀的輸入端接隔離器，這樣可以忽略源失配和接收機(jī)失配的影響。失配引起的插入損耗測(cè)量誤差為[19]：

(5)

式中，VSWRX為待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的電壓駐波比；VSWRS為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的電壓駐波比。

阻抗失配引起的饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量誤差如圖7所示。

圖7 阻抗失配引起的饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量誤差Fig.7 Measurement error of insertion loss in feed network caused by impedance mismatch

由式(1)可知，增益方向性法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的精確度取決于天線功率增益測(cè)量精度和方向性增益測(cè)量精度。目前，比較法增益測(cè)量擴(kuò)展不確定為±0.5 dB[20]，改進(jìn)的比較法其增益測(cè)量精度可達(dá)±0.25 dB[21]，因此，增益方向性法不適合測(cè)量小損耗的饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2.2 測(cè)量實(shí)例

以某工程Ka波段饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，說明增益方向性法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的方法。Ka波段饋源網(wǎng)絡(luò)如圖8所示，主要技術(shù)特性如下：

圖8 Ka波段饋源網(wǎng)絡(luò)Fig.8 Ka-band feed network

工作頻段：發(fā)射TX 30.0～31.0 GHz,

接收RX 20.2～21.2 GHz，

極化特性：TX-LHCP RX-RHCP，

饋源網(wǎng)絡(luò)軸比：≤0.5 dB，

電壓駐波比：≤1.25，

插入損耗：≤1 dB。

饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，在測(cè)量誤差允許的范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果滿足饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的技術(shù)要求，驗(yàn)證了該方法的可行性。

表1 Ka波段饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement results of Ka-band feed network insertion loss

3 Y因子法

Y因子法常用于天線噪聲溫度測(cè)量[22]、低噪聲放大器噪聲系數(shù)測(cè)量[23]和接收機(jī)系統(tǒng)噪聲溫度測(cè)量[24]等。Y因子法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的基本原理是：通過測(cè)量待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)喇叭口置冷熱負(fù)載的噪聲功率之比的Y因子，由Y因子方程求出待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度，利用噪聲溫度與損耗的關(guān)系求出饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗。Y因子法可細(xì)分為冷熱負(fù)載法和天空背景噪聲法。

3.1 冷熱負(fù)載法

冷熱負(fù)載法是在待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的喇叭口分別放置熱負(fù)載(通常采用常溫吸波材料作為熱負(fù)載，也叫常溫負(fù)載)和冷負(fù)載(用浸泡在液氮中的吸波材料作為冷負(fù)載)，測(cè)量出系統(tǒng)輸出噪聲功率之比的Y因子，由此確定饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的方法[25]。

冷熱負(fù)載法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的原理框圖如圖9所示。

圖9 冷熱負(fù)載法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗原理Fig.9 Principle block diagram of feed network insertion loss measurement by hot/cold load method

按照?qǐng)D9建立測(cè)試系統(tǒng)，當(dāng)待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)喇叭口依次指向熱負(fù)載和冷負(fù)載時(shí)，頻譜儀測(cè)量的輸出噪聲功率之比的Y因子為[26]：

(6)

式中，T0為常溫負(fù)載的噪聲溫度，單位K；TLNA為低噪聲放大器噪聲溫度，單位K；TFNS為饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的噪聲溫度，單位K。

由式(6)可求出饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的噪聲溫度為：

(7)

饋源網(wǎng)絡(luò)損耗與噪聲溫度的關(guān)系為：

(8)

式中，TCOLD為冷負(fù)載的噪聲溫度。

由式(8)可得饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的插入損耗為：

(9)

聯(lián)立式(7)和式(9)可求出用分貝表示的待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗為：

(10)

式(10)為冷熱負(fù)載法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的原理公式。只要測(cè)量出Y因子、環(huán)境溫度，以及已知冷負(fù)載和低噪聲放大器噪聲溫度，即可確定饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗的大小。

3.2 天空背景噪聲法

由圖9的冷熱負(fù)載法測(cè)量系統(tǒng)可知，饋源網(wǎng)絡(luò)喇叭口朝下指向冷負(fù)載，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難；如果將喇叭口朝上，冷負(fù)載直接置于喇叭口上，則存在盛裝冷負(fù)載容器損耗的問題，影響?zhàn)佋淳W(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量精度。另外，冷熱負(fù)載法不適合雙反射面天線饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

基于上述原因，提出了天空背景噪聲法測(cè)量雙反射面天線饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的方法。若在反射面天線安裝現(xiàn)場(chǎng)，副反射面和其支撐沒有安裝之前，利用主反射面作為屏蔽體，饋源喇叭指向天頂方向，以天空背景噪聲作為冷噪聲源代替冷熱負(fù)載法中冷負(fù)載，實(shí)現(xiàn)饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量，原理框圖如圖10所示。

圖10 天空背景噪聲法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗原理Fig.10 Principle block diagram of feed network insertion loss measurement by sky background noise method

用天頂方向的天空噪聲溫度TSKY代替式(10)中冷負(fù)載噪聲溫度TCOLD，可得天空背景噪聲法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗為：

(11)

圖10中，主反射面作為屏蔽體[27](也可用金屬反射桶[28])，其作用是屏蔽地面噪聲的影響。式(11)中天空噪聲溫度TSKY是通過計(jì)算獲得的[29]，它包括宇宙微波背景噪聲、銀河系噪聲和大氣衰減噪聲[30]。由于該方法受天線現(xiàn)場(chǎng)天氣條件的影響，因此測(cè)量需要在晴空條件下進(jìn)行。

Y因子法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的精度主要由饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)噪聲溫度測(cè)量精度決定，由常溫負(fù)載噪聲溫度測(cè)量誤差、低噪聲放大器噪聲溫度的不穩(wěn)定性和冷負(fù)載噪聲溫度的不穩(wěn)定性決定。假設(shè)低噪聲放大器的噪聲溫度不定性為±5 K，常溫負(fù)載的噪聲溫度不穩(wěn)定性為±1 K，利用式(6)和式(7)可分析出Y因子法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的噪聲溫度的不穩(wěn)定性約為±4 K，該誤差相當(dāng)于損耗為±0.06 dB的噪聲貢獻(xiàn)。因此，Y因子法可用于小損耗的饋源網(wǎng)絡(luò)測(cè)量。

3.3 工程測(cè)量實(shí)例

以一個(gè)X波段饋源網(wǎng)絡(luò)(饋源為波紋喇叭，網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)簡(jiǎn)單的方圓過渡)為例，說明冷熱負(fù)載法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的方法。X波段饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量實(shí)際配置圖如圖11所示。

圖11 X波段饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量實(shí)際配置Fig.11 Practical configuration diagram of X-band feed network insertion loss measurement

圖11中，左邊為待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)及微波吸波材料(用作常溫負(fù)載)，右邊為冷負(fù)載，用液氮浸泡微波吸波材料制成。X波段饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量結(jié)果如圖12所示。

圖12 X波段饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗測(cè)量結(jié)果Fig.12 Measurement results of insertion loss for X-band feed network system

4 比較Y因子法

4.1 測(cè)量原理方法

上面討論了Y因子法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的方法。在此基礎(chǔ)上，提出了比較Y因子法。該方法的基本思想是：通過測(cè)量待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接常溫負(fù)載和指向晴空天頂方向的噪聲功率之比的Y因子，以及標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭接常溫負(fù)載和指向晴空天頂方向的噪聲功率之比的Y因子，由測(cè)量的待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的Y因子與標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的Y因子進(jìn)行比較，從而確定待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的插入損耗。比較Y因子法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的原理框圖如圖13所示。

圖13 比較Y因子法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗原理Fig.13 Principle block diagram of feed network insertion loss measurement by Y-factor comparison method

圖13給出了2種常溫負(fù)載：一種是微波吸波材料用作常溫負(fù)載，可置于喇叭口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)測(cè)量，要求微波吸波材料的尺寸應(yīng)大于喇叭口面；另一種是用波導(dǎo)匹配負(fù)載用作常溫負(fù)載，直接與低噪聲放大器連接，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)測(cè)量。實(shí)際工程測(cè)量應(yīng)用中，微波吸波材料用作常溫負(fù)載和匹配負(fù)載用作常溫負(fù)載，其作用是一致的，二者選一即可。通常對(duì)于低頻段，饋源喇叭和標(biāo)準(zhǔn)喇叭口徑較大，此時(shí)可選擇常溫匹配負(fù)載作為校準(zhǔn)負(fù)載；反之，高頻段饋源網(wǎng)絡(luò)喇叭口徑較小，可用微波吸波材料作為常溫負(fù)載，操作簡(jiǎn)單方便。

按照?qǐng)D13建立測(cè)試系統(tǒng)，首先測(cè)量定標(biāo)Y因子，即低噪聲放大器直接與標(biāo)準(zhǔn)喇叭連接，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)喇叭口置常溫負(fù)載和指向晴空天頂方向時(shí)系統(tǒng)輸出噪聲功率之比的Y因子為：

(12)

式中，TSGH為標(biāo)準(zhǔn)喇叭的噪聲溫度，單位K。

由式(12)可求出標(biāo)準(zhǔn)喇叭的噪聲溫度為：

(13)

若已知標(biāo)準(zhǔn)喇叭的歐姆損耗ILS，標(biāo)準(zhǔn)喇叭的噪聲溫度與損耗的關(guān)系為[31]：

(14)

式中，Thorn為標(biāo)準(zhǔn)喇叭外部噪聲溫度，單位K。外部噪聲溫度由喇叭功率方向圖和天空亮溫度分布，通過數(shù)值積分法進(jìn)行計(jì)算確定[32]。

然后，將低噪聲放大器接到待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)上，同理，測(cè)量待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)喇叭口置常溫負(fù)載和指向晴空天頂方向時(shí)系統(tǒng)輸出噪聲功率之比的Y因子為：

(15)

式中，TFNS為待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度，單位K。

由式(15)可求出待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度為：

(16)

饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗ILFNS與噪聲溫度關(guān)系為：

(17)

式中，Tfeed為待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的外部噪聲溫度。由饋源網(wǎng)絡(luò)的功率方向圖和天空亮溫度分布，通過數(shù)值積分法進(jìn)行計(jì)算。

聯(lián)立式(13)，式(14)，式(16)和式(17)，可導(dǎo)出待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗為：

(18)

式(18)為比較Y因子法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗的原理公式。式中環(huán)境噪聲溫度T0和低噪放大器噪聲溫度TLNA已知，標(biāo)準(zhǔn)喇叭損耗、外部噪聲溫度以及和饋源網(wǎng)絡(luò)的外部噪聲溫度均可通過理論計(jì)算獲得，因此只要測(cè)量出待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的YX因子和標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的YS因子，即可確定饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的大小。

顯然，利用該方法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗是很復(fù)雜的。實(shí)際上，90°～180°范圍內(nèi)，波紋喇叭和標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭方向圖遠(yuǎn)旁瓣電平很低，待測(cè)波紋喇叭和標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭主波束指向天頂方向，接收天空噪聲，地面熱輻射噪聲貢獻(xiàn)很小，工程測(cè)量中可忽略不計(jì)，則待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的外部噪聲溫度近似等于天空噪聲溫度[32]，因此可忽略式(18)中第一項(xiàng)對(duì)插入損耗測(cè)量的影響。另外，標(biāo)準(zhǔn)喇叭的歐姆損耗很小[33]，工程測(cè)量中可忽略不計(jì)。則式(18)可近似簡(jiǎn)化為：

(19)

由式(19)可知，只要測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)喇叭和待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的Y因子，不需要知道天空噪聲溫度、常溫負(fù)載噪聲和低噪聲放大器噪聲溫度，就可以確定饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗。因此，該方法簡(jiǎn)單方便，非常適合工程測(cè)量應(yīng)用。如果采用3.2節(jié)方案，用天線主反射面作為屏蔽體或者利用金屬屏蔽盒，有效抑制地面輻射噪聲的影響，可改善其測(cè)量精度。

待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的插入損耗雖然與噪聲溫度的大小無(wú)關(guān)，但天空噪聲溫度、常溫負(fù)載噪聲溫度和低噪聲放大器噪聲溫度穩(wěn)定或變化，均會(huì)引起Y因子測(cè)量誤差，從而引起饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗測(cè)量誤差。假設(shè)YX≥3 dB，YS≥3.5 dB，Y因子測(cè)量誤差為±0.1 dB，則式(19)可推導(dǎo)出測(cè)量誤差方程，計(jì)算出饋源插入損耗測(cè)量誤差為±0.02 dB。因此，比較Y因子法可精確測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)的小損耗。

4.2 工程測(cè)量實(shí)例

以65 m射電望遠(yuǎn)鏡Ku波段饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量為例，說明比較Y因子法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的方法。Ku波段饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)試裝置如圖14所示，饋源喇叭為波紋喇叭，網(wǎng)絡(luò)為簡(jiǎn)單雙工器。

圖14 Ku波段饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)試裝置Fig.14 Practical configuration diagram of Ku-band feed network insertion loss measurement

標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭校準(zhǔn)測(cè)試裝置如圖15所示，圖中標(biāo)準(zhǔn)喇叭口的微波吸波材料用作常溫定標(biāo)負(fù)載，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試。65 m射電望遠(yuǎn)鏡Ku波段饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量結(jié)果如圖16所示。測(cè)量結(jié)果表明，在測(cè)試頻段12.0～15.5 GHz內(nèi)，饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗滿足工程小于或等于0.25 dB的設(shè)計(jì)要求。在測(cè)量頻段內(nèi)，饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗隨頻率波動(dòng)很大，主要是由于待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)喇叭失配引起的多重反射誤差。

圖15 標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭校準(zhǔn)測(cè)量裝置Fig.15 Configuration diagram of standard gain horn calibration measurement

圖16 Ku波段饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗測(cè)量結(jié)果Fig.16 Measurement results of insertion loss for Ku-band feed network system

5 結(jié)束語(yǔ)

饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗是天線的重要性能指標(biāo)之一，通常很小，精確測(cè)量是非常困難的。目前傳統(tǒng)的饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量方法均是去掉了饋源網(wǎng)絡(luò)的喇叭頭，只測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的損耗，因此結(jié)果不能表征整個(gè)饋源網(wǎng)絡(luò)的損耗特性。為了精確測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗，本文對(duì)饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗測(cè)量方法進(jìn)行了總結(jié)，并在現(xiàn)有測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，對(duì)天線饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗測(cè)量方法進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，提出了Y因子法和比較Y因子法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的新方法。

短路法是饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量的傳統(tǒng)方法，同短路法測(cè)量網(wǎng)絡(luò)損耗的原理相同，該方法簡(jiǎn)單方便，但由于饋源喇叭口短路，駐波效應(yīng)和多重反射對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，特別是多模饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此短路法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗，測(cè)量誤差很大，甚至出現(xiàn)奇異點(diǎn)。因此，短路法很難精確測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗，但該方法可對(duì)饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗進(jìn)行評(píng)估。

增益方向性法是天線饋源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)插入損耗測(cè)量的經(jīng)典方法，基本思想是通過測(cè)量天線功率增益和方向性增益，從而確定饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的方法，其測(cè)量精度取決于增益和方向性測(cè)量精度。目前，±0.25 dB增益測(cè)量精度是很高的。因此，該方法不適合饋源網(wǎng)絡(luò)的小損耗測(cè)量。另外，測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)的空間方向圖確定方向性增益也是很復(fù)雜的。

Y因子法可精確測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)的小損耗，測(cè)試需要精確標(biāo)定低噪聲放大器噪聲溫度、冷負(fù)載或天空噪聲溫度，以及常溫負(fù)載噪聲溫度，否則影響?zhàn)佋淳W(wǎng)絡(luò)損耗的測(cè)量精度。

比較Y因子法是饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量的一種簡(jiǎn)單精確的新方法，該方法只需測(cè)量2個(gè)Y因子，不需要知道天空噪聲溫度、低噪聲放大器噪聲溫度和常溫負(fù)載噪聲溫度，就可確定饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗。在饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量中具有廣闊的應(yīng)用前景，值得應(yīng)用推廣。