UHF頻段衛(wèi)星通信地球站電磁環(huán)境測試探討*

李勇，王世琦，趙騰飛，于衛(wèi)東，王海

（中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

近些年在國家推動衛(wèi)星在各行業(yè)規(guī)模化應(yīng)用的大背景下，UHF 頻段的衛(wèi)星通信得到了蓬勃發(fā)展，UHF 頻段衛(wèi)星地球站隨之增多。由于地面無線通信及廣播無線電臺的日益增加，使電磁環(huán)境逐漸復(fù)雜并日趨惡劣，而從衛(wèi)星傳送到地球站的信號相對于地面通信來說極其微弱，因此衛(wèi)星通信地球站可能會被其它臺站干擾。為避免系統(tǒng)間的相互干擾給用戶帶來損失，建站前進(jìn)行站址勘測是非常必要的，而電磁環(huán)境測試則是其中的主要內(nèi)容。目前國內(nèi)還沒有專門針對UHF 頻段地球站電磁環(huán)境測試方面的標(biāo)準(zhǔn)。

衛(wèi)星通信地球站電磁環(huán)境干擾測試需要針對擬建站的主要工作性能和參數(shù)，確定干擾源的干擾允許值。通過搭建滿足靈敏度要求的測試系統(tǒng)，測量干擾情況，并對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定是否存在干擾，為站址選擇提供技術(shù)支撐。

通過現(xiàn)場測試和干擾分析可有效實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的兼容，提高無線電頻譜資源的利用率。

有關(guān)電磁干擾方面應(yīng)注意以下3 個(gè)方面：

（1）來自地面微波系統(tǒng)的干擾，其工作頻段與衛(wèi)星通信頻段重合，如站點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)會產(chǎn)生同頻干擾。

（2）來自移動通信基站、電視臺、雷達(dá)站、無線電導(dǎo)航定位等站點(diǎn)發(fā)射機(jī)的諧波及雜散發(fā)射干擾。這些站點(diǎn)的工作頻率基本與衛(wèi)星通信頻段不重疊，但工作于衛(wèi)星通信頻段附近，其諧波及雜散信號可能落入衛(wèi)星通信地面站接收頻段內(nèi)，從而形成干擾。

（3）其他干擾。雖然實(shí)際情況并不太嚴(yán)重，但也應(yīng)注意站點(diǎn)附近的火電裝置、電氣設(shè)備、高壓線等工業(yè)設(shè)備的干擾；此外為了防止個(gè)人私裝衛(wèi)星電視接收裝置，有些地方部門擅自安裝衛(wèi)星電視信號干擾器，對衛(wèi)星通信系統(tǒng)也存在一定的干擾。

1 擬建地球站基本信息

在進(jìn)行電磁環(huán)境測試之前，首先要收集掌握擬建站的主要技術(shù)特性。假設(shè)擬建地球站地理位置坐標(biāo)為：東經(jīng)114.xx°，北緯39.xx°，地球站拋物面天線口徑為4.3 m，對星工作最小仰角26.3°（衛(wèi)星經(jīng)度70.5°E，天線工作方位236.6°），工作于UHF 頻段，上行頻率為385 MHz—425 MHz，下行頻率為335.4 MHz—351 MHz，重點(diǎn)考察下行頻率。傳輸速率為0.6 Mbps～14.4 Mbps，天線噪聲溫度160 K，接收系統(tǒng)等效噪聲溫度280 K。此外，還要掌握擬建站的地形地貌信息，如地球站站址向四周遠(yuǎn)望所看到的地球表面與天空的交界線（天際線）與水平面的夾角（天際角）。一般天線工作俯仰角要大于該方位角方向的天際角5°以上。

2 測試系統(tǒng)組成

UHF 頻段電磁環(huán)境測試系統(tǒng)由UHF 頻段對數(shù)周期天線、頻譜儀、UHF 頻段低噪聲放大器、計(jì)算機(jī)、三角架、測試天線自動旋轉(zhuǎn)裝置、低損耗軟質(zhì)電纜等組成。測試系統(tǒng)設(shè)備連接圖如圖1 所示。UHF 頻段對數(shù)周期天線接收到微弱信號，經(jīng)UHF 頻段低噪聲放大器進(jìn)入頻譜儀，計(jì)算機(jī)通過儀器控制軟件控制頻譜儀，進(jìn)行圖片、數(shù)據(jù)等處理，同時(shí)也可通過控制軟件對天線自動旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行方位角和極化角控制。

圖1 電磁環(huán)境測試系統(tǒng)設(shè)備連接圖

3 指標(biāo)分析和干擾電平標(biāo)準(zhǔn)

3.1 指標(biāo)分析

UHF 頻段目前還沒有專門的衛(wèi)星地球站電磁環(huán)境保護(hù)要求，那么UHF 頻段在進(jìn)行電磁環(huán)境測試時(shí)，它的允許電平限值又該如何界定？從以下3 個(gè)方面考慮尋求界定值[1-4]。

（1）參照GB 8702，UHF 頻段限值為電場強(qiáng)度12 V/m，等效平面波功率密度0.4 W/m2。國標(biāo)GB 8702 是面向公眾限定的標(biāo)準(zhǔn)，它給出的界定限值還是比較寬松的，所以用它來界定UHF 地球站限值不太合適。

（2）參照GB 25003，UHF 頻段3 000 MHz 的限值為117 dBμV/m，隨著頻率逐漸減小，在30 MHz 時(shí)的限值為87 dBμV/m，該標(biāo)準(zhǔn)的限值跟上面標(biāo)準(zhǔn)的限值相比，明顯嚴(yán)出百倍以上。但此標(biāo)準(zhǔn)范圍僅適用于UHF 頻段內(nèi)的無線電監(jiān)測站。標(biāo)準(zhǔn)中給出的限值適不適合用于地球站，還有待業(yè)界考證。

（3）UHF 地球站建成后，地球站的使用多數(shù)都是UHF 地球站的需求方，為此，建站需求方技術(shù)專家也可根據(jù)自身地球站的技術(shù)參數(shù)計(jì)算，給出UHF 地球站允許限值。

電磁環(huán)境測試天線接收口面處的系統(tǒng)整體靈敏度指標(biāo)應(yīng)優(yōu)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中給出的衛(wèi)星通信地球站接收機(jī)輸入端允許干擾信號電平值（若忽略饋線，也可描述為接收天線輸出端允許干擾電平）。其中[1]：

（a）來自于移動通信基站系統(tǒng)的諧波輻射干擾，落入衛(wèi)星通信地球站接收機(jī)輸入端的干擾信號電平應(yīng)該比正常工作時(shí)的接收信號低25 dB。

（b）來自于短波廣播的發(fā)射干擾，在衛(wèi)星地球站通信系統(tǒng)的電場強(qiáng)度應(yīng)小于等于105 dBμV/m。

（c）來自于1～5 頻道電視廣播、調(diào)頻廣播（88 MHz～108 MHz）和中波（300 kHz～ 3 MHz）的發(fā)射干擾，在衛(wèi)星地球站通信系統(tǒng)的電場強(qiáng)度應(yīng)小于等于125 dBμV/m。

（d）來自于雷達(dá)系統(tǒng)的干擾信號，規(guī)定落入衛(wèi)星通信地球站接收機(jī)輸入端的干擾峰值電平應(yīng)該比正常工作時(shí)的接收信號低10 dB。

（e）來自工作在1 GHz～18 GHz 頻段的醫(yī)療、科學(xué)和工業(yè)設(shè)備的輻射干擾，落入地面站接收機(jī)輸入端的干擾信號電平應(yīng)比正常工作時(shí)的接收信號低30 dB。

綜上所述，干擾信號峰值電平比正常工作信號電平低30 dB 以上，就不會對正常接收信號產(chǎn)生干擾。

在測試系統(tǒng)中未加放大器時(shí)，頻譜儀顯示的空間信號強(qiáng)度（dBm）和電場強(qiáng)度dBμV/m 轉(zhuǎn)換公式為：

式中，E’為空間電場強(qiáng)度（dBμV/m）；P為頻譜分析儀讀數(shù)（dBm）；A為天線系數(shù)（dB/m）；F為折算系數(shù)（dB），頻譜儀輸入阻抗50 Ω 時(shí)，取107 dB（輸入阻抗阻抗75 Ω 時(shí)，取109 dB)。

3.2 干擾電平標(biāo)準(zhǔn)

（1）技術(shù)文件：GB/T 13615—2009《地球站電磁環(huán)境保護(hù)要求》和《電磁環(huán)境測試要求》；

（2）地球站允許干擾電場強(qiáng)度：≤97 dBμV/m（由建站需求方計(jì)算得出）。

4 測試方法

在預(yù)定的電磁環(huán)境測試場區(qū)，對UHF 頻段（335.4 MHz～351 MHz）分別進(jìn)行垂直極化和水平極化測試。為了解周邊的電磁環(huán)境，在測試過程中以正北為方位0°，按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，對測試場區(qū)內(nèi)0°～360°全方位進(jìn)行干擾測試，并對衛(wèi)星地球站所使用的星位方向重點(diǎn)測試。記錄頻段中最大干擾信號的幅度、頻率、極化方式、方位角和俯仰角。

在測試前，應(yīng)檢查儀器儀表能否正常工作。由于測試環(huán)境的不確定性，應(yīng)提前考慮用電情況，若用電不方便可準(zhǔn)備發(fā)電機(jī)或其它供電方式。正式測試工作可依據(jù)建站方需求時(shí)間段進(jìn)行，但測試時(shí)間不宜過短，需考慮饋線損耗以及設(shè)備不穩(wěn)定等因素的影響。

具體操作步驟為：

（1）到達(dá)預(yù)定位置區(qū)域，選擇相對開闊之處開始工作。在測試點(diǎn)[2,6]按照圖1 所示連接測試系統(tǒng)，天線應(yīng)高于1.5 m 架設(shè)，且設(shè)備接地良好。摸清周邊可疑的強(qiáng)輻射源。當(dāng)辨別不清時(shí)應(yīng)先不加放大器，以免儀器損壞。測試儀器使用前應(yīng)預(yù)熱10 分鐘以上。

（2）使用指南針對所測點(diǎn)的磁北方向進(jìn)行測量并記錄，結(jié)合當(dāng)?shù)卮牌?，把天線指向真北0°方位角之處。

（3）頻譜儀的頻段設(shè)置應(yīng)覆蓋UHF 頻段（335.4 MHz～351 MHz），且為掃頻狀態(tài)。接收天線俯仰角保持在0°，按照順時(shí)針方向低速均勻轉(zhuǎn)動方位角0°～360°，同時(shí)觀察頻譜儀上頻譜變化，搜索可能存在的干擾信號，記錄頻譜圖及干擾最大值。

（4）測試用接收天線由于波束較寬，所以天線俯仰每隔5°在方位上轉(zhuǎn)動一圈（360°），直到俯仰角度接近90°。接收天線的水平和垂直極化需分別測試。

（5）如果發(fā)現(xiàn)了干擾信號，則調(diào)整接收天線的俯仰和方位，找出干擾信號的最大電平，測量其俯仰角和方位角并記錄。

（6）在衛(wèi)星地面站天線的工作角度（星位方向）附近，需重點(diǎn)觀察，反復(fù)測試。

測試完畢后，根據(jù)測試結(jié)果，結(jié)合各儀器設(shè)備、饋線的增益和衰減值，計(jì)算得出最終的干擾電平值[7]。將測量結(jié)果與指標(biāo)要求進(jìn)行比對，最終形成電磁環(huán)境測試報(bào)告。

5 測試系統(tǒng)參數(shù)

下面將具體描述一次針對335.4～351 MHz 衛(wèi)星通信地球站選址地點(diǎn)的電磁環(huán)境測試實(shí)例，以實(shí)踐上述理論。

電磁環(huán)境測試系統(tǒng)的方框圖如圖2 所示。測試設(shè)備及附件的情況如表1 所示。

圖2 電磁環(huán)境測試系統(tǒng)方框圖

表1 針對335.4～351 MHz的測試設(shè)備及附件指標(biāo)

5.1 測試系統(tǒng)靈敏度

通過計(jì)算測試系統(tǒng)的靈敏度，可以確定測試系統(tǒng)能否滿足電磁環(huán)境的測試要求。測試系統(tǒng)的靈敏度與天線和低噪聲放大器的增益、頻譜儀的靈敏度及噪聲溫度有關(guān)。由于低噪聲放大器的增益常常較高，所以頻譜儀噪聲的影響可忽略不計(jì)。

由奈奎斯特定理可得，進(jìn)入低噪聲放大器輸入端的等效熱噪聲功率為：

PL為低噪聲放大器輸入端的等效熱噪聲功率，即測試系統(tǒng)等效輸入噪聲功率（dBm）；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23（J/K）；TA為測試天線入口的噪聲溫度（K）；TLNA為低噪聲放大器入口的噪聲溫度（K）；B為測試系統(tǒng)頻譜儀的射頻接收帶寬（Hz），約等于頻譜儀分辨率帶寬RBW 的1.2 倍。

將式（2）用分貝表示，即得測試系統(tǒng)的靈敏度：

式（3）中：RBW=10 kHz 為頻譜儀分辨率帶寬。

式（4）中：PH為折算到頻譜儀輸入端熱噪聲功率；GLNA為低噪聲放大器的增益；LF為線纜損耗。

頻譜儀對應(yīng)帶寬的靈敏度PC應(yīng)比PH低10 dB 以上，即滿足PH-PC＞10 dB。將表1 內(nèi)的數(shù)值代入，得：

計(jì)算結(jié)果如表2 所示。頻譜儀靈敏度PC是所用頻譜儀的計(jì)量結(jié)果值。可見PC比PH低11.5 dB，測試系統(tǒng)滿足測試要求。

表2 針對335.4～351 MHz的測試系統(tǒng)靈敏度（每10 kHz）

5.2 測試系統(tǒng)的干擾信號場強(qiáng)計(jì)算

將頻譜儀實(shí)測的干擾信號電平折算到測試天線口面處的干擾信號場強(qiáng)：

其中：Ef是歸算到測試天線口面處的測量帶寬內(nèi)的干擾信號場強(qiáng)（dBμV/m）；P是頻譜儀實(shí)測的干擾信號電平幅度（dBm）；Af是測試天線的天線系數(shù)（dB/m）；L是測試系統(tǒng)饋線損耗（dB）。

由于該測試系統(tǒng)中使用了低噪聲放大器LNA，所以式（5）中需要減去LNA 的增益GLNA。

在某站址對測試點(diǎn)進(jìn)行UHF 頻段電磁環(huán)境的測試，已知饋線損耗0.8 dB，低噪聲放大器的增益為23 dB，測試天線的天線系數(shù)14 dB/m，頻譜儀測得的最大干擾信號電平為-55.86 dBm。由式（5）可得歸算到測試天線口面處測量帶寬內(nèi)的干擾信號場強(qiáng)為：

6 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

6.1 測試頻譜圖

在預(yù)定天線位置，按照測試系統(tǒng)方框圖連接好測試設(shè)備，測試天線離地面高1.6 m，加電和自校。按照工作參數(shù)設(shè)置頻譜分析儀狀態(tài)。選擇測試帶寬10 kHz，極化H（水平）、V（垂直），測試天線對全方位（0°—360°）進(jìn)行掃描觀測、對衛(wèi)星（70.5°E、130.5°E）的兩個(gè)方位（236.6°、155.1°）進(jìn)行長時(shí)間重點(diǎn)觀測，測試結(jié)果見頻譜圖（如圖3 至圖8）：

圖3 水平極化、方位0°—360°、俯仰0°時(shí)的頻譜圖

圖4 垂直極化、方位0°—360°、俯仰0°時(shí)的頻譜圖

圖5 水平極化、方位236.6°、俯仰0°時(shí)的頻譜圖

圖6 垂直極化、方位236.6°、俯仰0°時(shí)的頻譜圖

圖7 水平極化、方位155.1°、俯仰0°時(shí)的頻譜圖

圖8 垂直極化、方位155.1°、俯仰0°時(shí)的頻譜圖

在圖3 至圖8 的6 個(gè)圖中，圖3 為測試天線處于水平極化、俯仰0°、方位0°—360°的實(shí)測頻譜圖；圖4 為測試天線處于垂直極化、俯仰0°、方位0°—360°的實(shí)測頻譜圖；圖5 為測試天線處于水平極化、俯仰0°、方位236.6°時(shí)的實(shí)測頻譜圖；圖6 為測試天線處于垂直極化、俯仰0°、方位236.6°時(shí)的實(shí)測頻譜圖；圖7 為測試天線處于水平極化、俯仰0°、方位155.1°時(shí)的實(shí)測頻譜圖；圖8 為測試天線處于垂直極化、俯仰0°、方位155.1°時(shí)的實(shí)測頻譜圖。

6.2 測試結(jié)果分析

（1）天際線仰角

經(jīng)勘測，在地球站天線覆蓋范圍內(nèi)的155°～237°（對應(yīng)衛(wèi)星130.5°E～70.5°E），最大天際角為45°，最小天際角為18°。接近最大天際角星位的天線工作仰角為41.7°，該星位信號被預(yù)選站址東南面近處的樹林遮擋；接近最小天際角星位的天線工作仰角為25.4°，有9°的余量。具體天際線仰角詳見圖9。

圖9 天際線仰角圖

（2）電磁環(huán)境測試結(jié)果及分析

電磁環(huán)境測試的數(shù)據(jù)及分析計(jì)算如表3 和表4 所示。

表4 測試數(shù)據(jù)分析計(jì)算

由干擾電平標(biāo)準(zhǔn)可知：當(dāng)來自干擾信號峰值電平比正常接收的信號電平低30 dB 或以上時(shí)，即不會對正常接收信號產(chǎn)生干擾。由表4 中的測試數(shù)據(jù)分析計(jì)算結(jié)果可見：測試天線口面處的干擾信號場強(qiáng)比允許的干擾電場強(qiáng)度低50 dB 以上，因此在該測試點(diǎn)建設(shè)UHF 頻段地球站不會受到干擾，該站址的電磁環(huán)境符合使用要求。

7 結(jié)束語

電磁環(huán)境測試對衛(wèi)星地球站的選址，乃至通信系統(tǒng)的運(yùn)行都至關(guān)重要，建議主管部門對電磁環(huán)境測試工作給予足夠重視，加大經(jīng)費(fèi)投入，無論是在原址擴(kuò)展使用頻段還是新選站址，都需要先進(jìn)行電磁環(huán)境測試。UHF頻段地球站電磁環(huán)境目前還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和明確執(zhí)行的依據(jù)，本文參照相近的標(biāo)準(zhǔn)對UHF 頻段地球站進(jìn)行了測試，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析比較，對工程測量有一定的參考作用，對以后UHF 頻段地球站電磁環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的制定也有一定的參考和推進(jìn)作用。