有源相控陣天線G-T測(cè)量及誤差分析

有源相控陣天線G-T測(cè)量及誤差分析有源相控陣天線G-T測(cè)量及誤差分析有源相控陣天線G-T測(cè)量及誤差分析有源相控陣天線G-T測(cè)量及誤差分析編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:有源相控陣天線G/T值測(cè)量及誤差分析任冀南秦順友陳輝吳偉偉(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，河北石家莊050081)摘要：簡(jiǎn)述了地面站天線系統(tǒng)G/T值測(cè)量的傳統(tǒng)方法。論述了室外遠(yuǎn)場(chǎng)直接法測(cè)量有源相控陣天線G/T值的原理方法，推導(dǎo)出測(cè)量的原理方程。分析了G/T值測(cè)量誤差，其均方根誤差小于或等于±。最后給出了S波段19元陣天線系統(tǒng)G/T測(cè)量結(jié)果，實(shí)測(cè)結(jié)果與預(yù)算結(jié)果吻合很好。關(guān)鍵詞：有源相控陣天線；G/T測(cè)量；誤差分析G/TMeasurementandErrorAnalysisforActivePhasedArrayAntennaRENJi-nan,QINShun-you,CHENHui,WUWei-wei(TheFiftyFourthInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)Abstract:Inthispaper,traditionalmeasurementmethodsaredescribedsimplyforearthstationsystemG/Tvalue.MeasuringprincipleandprocedureofactivephasedarrayantennaG/Tvaluearediscussedusingoutdoordirectfar-fieldmethod,andmeasuringprincipleequationisderived.ErrorofG/Tvaluemeasurementisanalyzed,andresultsshowthatRMSerrorofG/Tvaluemeasurementislessthanorequalto±.MeasuringresultofS-band19-unitarrayantennaG/Tvalueisgiven,testresultagreeswithpredictionresult.Keywords：activephasedarrayantenna;G/Tmeasurement;erroranalysis引言G/T是地面站系統(tǒng)的重要性能參數(shù)之一，其性能好壞直接影響系統(tǒng)的靈敏度。目前G/T值傳統(tǒng)的測(cè)量方法有間接法和直接法[1][2][3]。所謂間接法就是分別測(cè)量出天線接收增益和系統(tǒng)噪聲溫度，從而計(jì)算系統(tǒng)G/T值的方法；直接法又可細(xì)分為衛(wèi)星載噪比法和射電源法。衛(wèi)星載噪比法就是直接測(cè)量地面站天線接收衛(wèi)星信號(hào)的載噪比，從而確定G/T值的方法，該方法非常適合衛(wèi)星通信地面站天線系統(tǒng)G/T測(cè)量；射電源法就是測(cè)量地面站天線指向射電星和冷空時(shí)的Y因子，從而計(jì)算G/T值的方法。由于射電源的信號(hào)很微弱，對(duì)于小型地面站，其系統(tǒng)G/T很小，則很難觀測(cè)到射電源的信號(hào)[4]。對(duì)于有源相控陣天線，因其射頻單元與天線單元集成在一起，其天線測(cè)試方法不同于常規(guī)的無(wú)源天線測(cè)量[5][6]。對(duì)于有源相控陣天線系統(tǒng)G/T值測(cè)量，無(wú)法采用間接法測(cè)量系統(tǒng)G/T值；另外如果天線工作頻段與衛(wèi)星頻段不符，且系統(tǒng)G/T值較小，則采用衛(wèi)星載噪比或射電源法測(cè)量其G/T值具有局限性。為此我們提出了在室外遠(yuǎn)場(chǎng)直接法測(cè)量有源相控陣天線G/T值的方法。實(shí)踐證明：該方法是切實(shí)可行的，在G/T值測(cè)量中值得推廣和應(yīng)用。1測(cè)量原理和方法圖1所示為室外遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)量有源相控陣天線G/T值原理方框圖。相控陣天線相控陣天線標(biāo)準(zhǔn)天線頻譜儀R信號(hào)源圖1室外遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)量相控陣天線G/T值原理方框圖圖1中，R為測(cè)試距離，R應(yīng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件，即R≥2D2/λ（D為待測(cè)天線最大尺寸，λ為工作波長(zhǎng)）。由功率傳輸方程可得：頻譜分析儀測(cè)量的載波功率C為[7]：（1)式中：C—頻譜儀測(cè)量的載波功率；Pt—標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線的發(fā)射功率；GS—標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線的增益；G—待測(cè)有源相控陣天線的增益；Gnet—有源相控陣天線網(wǎng)絡(luò)的總增益；LP—自由空間的傳播損耗；LRF—相控陣天線與頻譜儀之間射頻電纜損耗。將待測(cè)有源相控陣天線方位偏開，俯仰轉(zhuǎn)到測(cè)量的仰角上（確保有源相控陣天線接收不到標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的發(fā)射信號(hào)），則頻譜分析儀測(cè)量的噪聲功率N為：（2）式中：k—波爾茲曼常數(shù)，等于×10-23（J/K)；T—有源相控陣天線系統(tǒng)噪聲溫度；B—接收機(jī)噪聲帶寬，它等于頻譜分析儀分辨帶寬RBW的倍。由式（1）和式（2）可得測(cè)量的載噪比C/N為：（3）由式（3）可求得用分貝表示的有源相控陣天線的G/T值為：（4）式（4）就是室外遠(yuǎn)場(chǎng)直接法測(cè)量G/T值原理公式，式中發(fā)射功率單位為dBW。現(xiàn)代頻譜分析儀可直接測(cè)量歸一化噪聲功率N0，則G/T值與歸一化載噪比C/N0的關(guān)系為：（5）如果待測(cè)天線為圓極化天線，利用式（5）測(cè)量出待測(cè)天線長(zhǎng)軸方向的G/T值，然后加上極化損失即得待測(cè)圓極化天線的G/T值。由測(cè)量出待測(cè)天線的軸比AR（dB），則計(jì)算極化損失Lpol為[8]：（6）2測(cè)量誤差分析由式（5）的G/T值測(cè)量方程和測(cè)量原理可知：室外遠(yuǎn)場(chǎng)直接法測(cè)量有源相控陣天線G/T值的主要誤差有：信號(hào)源發(fā)射功率的測(cè)量誤差、標(biāo)準(zhǔn)喇叭的增益校準(zhǔn)誤差、載噪比測(cè)量誤差、路徑損耗誤差、極化損失誤差、天線指向損耗誤差和有限測(cè)試距離引起的誤差等等。表1所示為G/T值測(cè)量均方根誤差的估算結(jié)果。由表1可知遠(yuǎn)場(chǎng)直接法測(cè)量有源相控陣天線G/T值的均方根誤差小于或等于±。表1G/T值測(cè)量的均方根誤差誤差源誤差（dB）信號(hào)源發(fā)射功率測(cè)量誤差±標(biāo)準(zhǔn)喇叭的增益誤差±載噪比測(cè)量誤差±自由空間傳播損耗測(cè)量誤差±有限測(cè)試距離引起的測(cè)量誤差極化失配引起的測(cè)量誤差指向引起的測(cè)量誤差G/T測(cè)量的均方根誤差±3測(cè)量實(shí)例這里給出S波段圓極化19元陣天線的G/T值測(cè)量為例，說(shuō)明室外遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)量有源相控陣天線G/T值的方法。圖2所示為實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)圖。圖2室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量相控陣天線G/T值實(shí)際系統(tǒng)圖已知測(cè)試頻率為，標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭增益為，使用測(cè)試儀器Agilent8563EC頻譜分析儀，測(cè)得信號(hào)源的輸出功率-40dBm，信號(hào)源與標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭之間射頻電纜損耗為，收發(fā)天線之間的距離為6米，測(cè)量的載波功率為。有源相控陣天線指向天頂方向時(shí)，測(cè)量的歸一化噪聲功率為Hz，則由式（5）計(jì)算待測(cè)天線的G/T值為：dB/K因有源相控陣天線極化為圓極化，應(yīng)考慮極化損失。測(cè)得在最大方向圓極化軸比為，由式（6）計(jì)算得極化損失，則待測(cè)圓極化相控陣天線的G/T值為：dB/K該相控陣天線系統(tǒng)G/T的理論預(yù)算結(jié)果為，由此可見在測(cè)試誤差允許的范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果同理論估算結(jié)果吻合很好，從而驗(yàn)證了該方法的可行性。4結(jié)束語(yǔ)隨著有源相控陣天線技術(shù)的發(fā)展，相控陣天線校準(zhǔn)和測(cè)量技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的天線測(cè)量技術(shù)無(wú)法滿足有源相控陣天線測(cè)試的需求。本文簡(jiǎn)述了地面站天線系統(tǒng)G/T值測(cè)量的傳統(tǒng)方法。論述了室外遠(yuǎn)場(chǎng)直接法測(cè)量有源相控陣天線G/T值的原理方法，推導(dǎo)出測(cè)量的原理方程。分析了G/T值測(cè)量誤差，其均方根誤差小于或等于±。實(shí)踐證明：該方法是切實(shí)可行的，在有源相控陣天線G/T值測(cè)量中，值得推廣和應(yīng)用。參考文獻(xiàn)秦順友,許德森編著.衛(wèi)星通信地面站天線工程測(cè)量技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社,2006:147-157.INTELSATSSOG210.Earthstationverificationtests[S].2002.陳奇波.地球站品質(zhì)因數(shù)（G/T）測(cè)量方法綜述[J].通信學(xué)報(bào),1995,16(2):40-50.陳奇波,英風(fēng)儀.在G/T值測(cè)量中選擇射電源的三原則[J].無(wú)線電通信技術(shù),1997,23(01):10-14.孟明霞,丁曉磊,丁克乾,趙英華.低副瓣有源相控陣天線測(cè)試方法研究[J].遙控遙測(cè),2011,32(4):55-60.李宏,薛冰,楊英科.相控陣天線的測(cè)試技術(shù)[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù),2003,(5):10-13.毛乃宏等編著.天線測(cè)量手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1987:28-29.秦順友,楊可忠,陳輝.不同極化天線增益測(cè)量技術(shù)[J].2003,17(01):7-11.作者簡(jiǎn)介任冀南(1