有源相控陣天線G-T測量及誤差分析

有源相控陣天線G-T測量及誤差分析有源相控陣天線G-T測量及誤差分析有源相控陣天線G-T測量及誤差分析有源相控陣天線G-T測量及誤差分析編制僅供參考審核批準生效日期地址：電話：傳真:郵編:有源相控陣天線G/T值測量及誤差分析任冀南秦順友陳輝吳偉偉(中國電子科技集團公司第54研究所，河北石家莊050081)摘要：簡述了地面站天線系統(tǒng)G/T值測量的傳統(tǒng)方法。論述了室外遠場直接法測量有源相控陣天線G/T值的原理方法，推導出測量的原理方程。分析了G/T值測量誤差，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測量結果，實測結果與預算結果吻合很好。關鍵詞：有源相控陣天線；G/T測量；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)的測量方法有間接法和直接法[1][2][3]。所謂間接法就是分別測量出天線接收增益和系統(tǒng)噪聲溫度，從而計算系統(tǒng)G/T值的方法；直接法又可細分為衛(wèi)星載噪比法和射電源法。衛(wèi)星載噪比法就是直接測量地面站天線接收衛(wèi)星信號的載噪比，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測量；射電源法就是測量地面站天線指向射電星和冷空時的Y因子，從而計算G/T值的方法。由于射電源的信號很微弱，對于小型地面站，其系統(tǒng)G/T很小，則很難觀測到射電源的信號[4]。對于有源相控陣天線，因其射頻單元與天線單元集成在一起，其天線測試方法不同于常規(guī)的無源天線測量[5][6]。對于有源相控陣天線系統(tǒng)G/T值測量，無法采用間接法測量系統(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量其G/T值具有局限性。為此我們提出了在室外遠場直接法測量有源相控陣天線G/T值的方法。實踐證明：該方法是切實可行的，在G/T值測量中值得推廣和應用。1測量原理和方法圖1所示為室外遠場法測量有源相控陣天線G/T值原理方框圖。相控陣天線相控陣天線標準天線頻譜儀R信號源圖1室外遠場法測量相控陣天線G/T值原理方框圖圖1中，R為測試距離，R應滿足遠場測試距離條件，即R≥2D2/λ（D為待測天線最大尺寸，λ為工作波長）。由功率傳輸方程可得：頻譜分析儀測量的載波功率C為[7]：（1)式中：C—頻譜儀測量的載波功率；Pt—標準增益喇叭天線的發(fā)射功率；GS—標準增益喇叭天線的增益；G—待測有源相控陣天線的增益；Gnet—有源相控陣天線網絡的總增益；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。將待測有源相控陣天線方位偏開，俯仰轉到測量的仰角上（確保有源相控陣天線接收不到標準增益喇叭的發(fā)射信號），則頻譜分析儀測量的噪聲功率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）就是室外遠場直接法測量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量歸一化噪聲功率N0，則G/T值與歸一化載噪比C/N0的關系為：（5）如果待測天線為圓極化天線，利用式（5）測量出待測天線長軸方向的G/T值，然后加上極化損失即得待測圓極化天線的G/T值。由測量出待測天線的軸比AR（dB），則計算極化損失Lpol為[8]：（6）2測量誤差分析由式（5）的G/T值測量方程和測量原理可知：室外遠場直接法測量有源相控陣天線G/T值的主要誤差有：信號源發(fā)射功率的測量誤差、標準喇叭的增益校準誤差、載噪比測量誤差、路徑損耗誤差、極化損失誤差、天線指向損耗誤差和有限測試距離引起的誤差等等。表1所示為G/T值測量均方根誤差的估算結果。由表1可知遠場直接法測量有源相控陣天線G/T值的均方根誤差小于或等于±。表1G/T值測量的均方根誤差誤差源誤差（dB）信號源發(fā)射功率測量誤差±標準喇叭的增益誤差±載噪比測量誤差±自由空間傳播損耗測量誤差±有限測試距離引起的測量誤差極化失配引起的測量誤差指向引起的測量誤差G/T測量的均方根誤差±3測量實例這里給出S波段圓極化19元陣天線的G/T值測量為例，說明室外遠場法測量有源相控陣天線G/T值的方法。圖2所示為實際的測試系統(tǒng)圖。圖2室外遠場測量相控陣天線G/T值實際系統(tǒng)圖已知測試頻率為，標準增益喇叭增益為，使用測試儀器Agilent8563EC頻譜分析儀，測得信號源的輸出功率-40dBm，信號源與標準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，測量的載波功率為。有源相控陣天線指向天頂方向時，測量的歸一化噪聲功率為Hz，則由式（5）計算待測天線的G/T值為：dB/K因有源相控陣天線極化為圓極化，應考慮極化損失。測得在最大方向圓極化軸比為，由式（6）計算得極化損失，則待測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的理論預算結果為，由此可見在測試誤差允許的范圍內，測試結果同理論估算結果吻合很好，從而驗證了該方法的可行性。4結束語隨著有源相控陣天線技術的發(fā)展，相控陣天線校準和測量技術面臨著挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的天線測量技術無法滿足有源相控陣天線測試的需求。本文簡述了地面站天線系統(tǒng)G/T值測量的傳統(tǒng)方法。論述了室外遠場直接法測量有源相控陣天線G/T值的原理方法，推導出測量的原理方程。分析了G/T值測量誤差，其均方根誤差小于或等于±。實踐證明：該方法是切實可行的，在有源相控陣天線G/T值測量中，值得推廣和應用。參考文獻秦順友,許德森編著.衛(wèi)星通信地面站天線工程測量技術[M].北京：人民郵電出版社,2006:147-157.INTELSATSSOG210.Earthstationverificationtests[S].2002.陳奇波.地球站品質因數(shù)（G/T）測量方法綜述[J].通信學報,1995,16(2):40-50.陳奇波,英風儀.在G/T值測量中選擇射電源的三原則[J].無線電通信技術,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試方法研究[J].遙控遙測,2011,32(4):55-60.李宏,薛冰,楊英科.相控陣天線的測試技術[J].中國測試技術,2003,(5):10-13.毛乃宏等編著.天線測量手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社,1987:28-29.秦順友,楊可忠,陳輝.不同極化天線增益測量技術[J].2003,17(01):7-11.作者簡介任冀南(1