太陽(yáng)源法測(cè)量天線系統(tǒng)G/T值方法研究

習(xí) 強(qiáng)，鐘軍濤

(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)

0 引言

近些年來(lái)，隨著衛(wèi)星通信、深空探測(cè)和遙控遙測(cè)技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)需求不同研制出了各種口徑尺寸的天線，天線系統(tǒng)的增益與接收系統(tǒng)噪聲溫度之比G/T值是衛(wèi)星地面站天線一項(xiàng)最重要的性能指標(biāo)。G/T值越大，就意味著該系統(tǒng)接收性能越好。目前測(cè)量系統(tǒng)的G/T值可以采用射電星法、信標(biāo)塔法、對(duì)比法和間接法。采用射電星法是一種比較客觀的方法，這種方法一般采用仙后座A、金牛座A和天鵝座A等射電星，這些射電星一般只適合較大口徑的天線。但是對(duì)于中小口徑的天線，由于G/T值較小，測(cè)量結(jié)果誤差較大，測(cè)試結(jié)果不可信。而對(duì)于通常采用的信標(biāo)塔法，雖然技術(shù)成熟但是需要滿足遠(yuǎn)場(chǎng)距離條件，即收發(fā)天線之間的距離R≥2D2/λ(其中D為天線口徑，λ為工作波長(zhǎng))，如 S波段12 m天線最小測(cè)試距離為2.21 km，而有些衛(wèi)星地面站的建設(shè)受環(huán)境影響，難以滿足這一遠(yuǎn)場(chǎng)條件。因此為了克服上述兩種方法的局限性，需要尋求一種新的G/T值的測(cè)量方法［1］。

太陽(yáng)是一個(gè)頻譜豐富且流量足夠大的強(qiáng)輻射源，其電磁波長(zhǎng)為1 mm～20 m。因此可以將太陽(yáng)當(dāng)作一個(gè)寬頻段信號(hào)源，只要工作頻率處于此頻段內(nèi)的天線，均可以采用太陽(yáng)作為輻射源進(jìn)行天線系統(tǒng)G/T 值的測(cè)量［1，2］。

本文給出了利用太陽(yáng)源測(cè)量天線G/T值的原理和方法，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目給出了太陽(yáng)源法的測(cè)量結(jié)果，通過(guò)與信標(biāo)塔法相比較，驗(yàn)證了該方法實(shí)際可行。

1 太陽(yáng)源法測(cè)量原理

利用太陽(yáng)測(cè)量S頻段天線的G/T值的原理框圖如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)源法測(cè)量G/T值方法

太陽(yáng)源法測(cè)量天線G/T值的基本原理是:利用太陽(yáng)作為信號(hào)源，采用Y因子法進(jìn)行測(cè)量，首先分別測(cè)量出天線指向太陽(yáng)和冷空時(shí)的噪聲功率譜密度，計(jì)算二者之差得到Y(jié)因子大小，由此計(jì)算出天線的G/T值。

射電星法測(cè)量G/T值的基本公式為:

式中，Yn為天線指向太陽(yáng)與指向冷空時(shí)接收機(jī)輸出的功率譜密度之差;k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.380622×10－23J/K;λ為測(cè)量頻率的波長(zhǎng)(m);S為射電星在所測(cè)頻率的通量密度(Wm－2Hz－1);K1為大氣吸收衰減因子;K2為波束修正因子［3－5］。

實(shí)際測(cè)試中，一般要求G/T值測(cè)試5°仰角時(shí)的G/T值，所以對(duì)式(1)要進(jìn)行修正，如下式:

式中，D為天線對(duì)冷空與對(duì)5°仰角時(shí)接收機(jī)輸出的噪聲譜密度之差。

2 太陽(yáng)源法的測(cè)試方法

利用太陽(yáng)源法測(cè)量天線G/T值時(shí)，按照如下步驟進(jìn)行［6，7］:

①如圖1所示連接設(shè)備和測(cè)試儀器;

②根據(jù)天線的經(jīng)緯度和高程計(jì)算出某時(shí)刻天線對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的方位角和俯仰角，其計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)［7］;

③利用ACU驅(qū)動(dòng)天線對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，記下此時(shí)頻譜儀測(cè)量的系統(tǒng)輸出的功率譜密度Φ1和天線的仰角el;

④將天線方位角偏開(kāi)太陽(yáng)20°，俯仰角保持不變，記下此時(shí)頻譜儀測(cè)量的系統(tǒng)輸出的功率譜密度Φ2;

⑤將天線俯仰角設(shè)置為5°，在方位上指向一個(gè)比較空曠的空域，記下此時(shí)頻譜儀測(cè)量的系統(tǒng)輸出的功率譜密度Φ3;

⑥ 計(jì)算Yn=Φ1－Φ2，D=Φ3－Φ2，并根據(jù)式(2)計(jì)算出天線的G/T值。

由式(2)可知，要想求出天線的G/T值，需要計(jì)算出大氣衰減因子K1、波束修正因子K2和太陽(yáng)輻射通量，下面分別介紹各參數(shù)的計(jì)算方法［8］。

2.1 大氣吸收衰減修正

大氣吸收衰減因子可以表示為:

式中，Ag=0.035 dB(在S波段);el表示對(duì)太陽(yáng)的仰角。

2.2 波束修正

由于太陽(yáng)的張角約為0.533°，在測(cè)量中型天線時(shí)要進(jìn)行修正，修正公式為:

式中，HPBW為天線的波束寬度，天線的波束寬度可以從天線的方向圖上測(cè)量出來(lái)，在要求精度不高時(shí)也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到:HPBW=67.5×λ/Dant，λ為波長(zhǎng);Dant為所測(cè)天線的口徑。嚴(yán)格地說(shuō)，式(4)在HPBW≥(0.533/HPBW)≤1時(shí)才是正確的，但實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明，此式可用至(0.533/HPBW)≤1.2，此時(shí)測(cè)量誤差為±2.1%。

2.3 太陽(yáng)的輻射通量

3 使用條件

利用太陽(yáng)法測(cè)量天線的G/T值雖然精度高，但是要想得到理想的測(cè)試結(jié)果，也要嚴(yán)格滿足這種方法的使用條件，否則也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差過(guò)大。根據(jù)工程實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)［9－12］，這些使用條件如下:

①天線的G/T值要大于16 dB;

②天線波束寬度滿足波束修正的限制條件;

③保證天線對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，可通過(guò)天線所處大地坐標(biāo)和天文星歷數(shù)據(jù)獲得某一時(shí)刻太陽(yáng)相對(duì)地球表面某一坐標(biāo)點(diǎn)的相對(duì)位置;也可通過(guò)肉眼觀察天線饋源在天線面上的投影來(lái)確保天線對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng);

④確保天線軸角編碼器經(jīng)過(guò)精確校對(duì);

⑤能得到天文臺(tái)當(dāng)天觀測(cè)到的太陽(yáng)輻射的通量密度;

⑥ 太陽(yáng)的仰角最少在10°以上，最好大于30°;

七夕，“為牛慶生”教你在情感中學(xué)會(huì)感恩。相傳，古時(shí)兒童會(huì)在七夕之日采摘野花掛在牛角上，又叫“賀牛生日”。因?yàn)閭髡f(shuō)西王母用天河把牛郎織女分開(kāi)后，老牛為了讓牛郎能夠跨越天河見(jiàn)到織女，讓牛郎把它的皮刨扒下來(lái)，駕著它的牛皮去見(jiàn)織女。人們?yōu)榱思o(jì)念老牛的犧牲精神，便有了“為牛慶生”的習(xí)俗。學(xué)會(huì)感恩彼此，是愛(ài)情的另一個(gè)真諦，感恩彼此的付出、感恩彼此的守護(hù)、感恩雙方父母給予我們創(chuàng)造與提供的一切、感恩在我們?nèi)松飞辖o予我們的每一份真誠(chéng)，這是愛(ài)情收獲人世間最大幸福、最多祝福的訣竅。

⑦接收機(jī)要有足夠大的動(dòng)態(tài)，確保接收機(jī)在天線對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)不飽和;

⑧被測(cè)系統(tǒng)和儀器要預(yù)熱2 h以上;

⑨注意天氣對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，理想的測(cè)量條件是晴天、無(wú)云、無(wú)風(fēng)或微風(fēng)。

4 工程測(cè)試實(shí)例

4.1 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證太陽(yáng)源法測(cè)量天線系統(tǒng)G/T值的可行性，2009年7月，在測(cè)試12 m S頻段天線時(shí)，根據(jù)太陽(yáng)軌道預(yù)報(bào)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查詢了附近太陽(yáng)通量密度測(cè)試站的測(cè)試數(shù)據(jù)，在仰角為29.4°和32°時(shí)通過(guò)測(cè)量計(jì)算出了天線的G/T值。太陽(yáng)源法計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 太陽(yáng)源法測(cè)12 m天線G/T值

同時(shí)，用信標(biāo)塔法做了對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 信標(biāo)法與太陽(yáng)法測(cè)量天線G/T值對(duì)比

從表2可以看出，用太陽(yáng)源法測(cè)量S頻段天線的G/T值與信標(biāo)塔法的測(cè)試結(jié)果優(yōu)于0.2 dB，可以得到可信的結(jié)果。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)誤差傳遞公式，G/T值的相對(duì)誤差可表示為:

從式(6)可以看出，影響G/T值測(cè)量誤差的因素有太陽(yáng)輻射的通量密度、大氣衰減、波束寬度和Y因子的精度。

太陽(yáng)輻射的通量密度每天都是變化的，在太陽(yáng)的平靜期，太陽(yáng)輻射通量密度日變化量約為1×10－21W/m2/Hz，在測(cè)量時(shí)必須使用天文臺(tái)觀測(cè)到的最新數(shù)據(jù)，比如2009年7月3日的輻射通量密度為在1415 MHz處為 5.5 ×10－21W/m2/Hz，在2695 MHz處為7.4 ×10－21W/m2/Hz。其測(cè)量精度按±5%計(jì)算，此項(xiàng)引起的誤差為±0.2 dB。

大氣衰減在10°仰角時(shí)修正量約為0.2 dB，仰角大于30°時(shí)修正量小于0.08 dB，其所帶來(lái)的誤差可以忽略。

在12 m天線測(cè)試中，波束寬度修正因子約為0.7 dB，波束寬度按誤差±5%計(jì)算，此項(xiàng)引起的誤差約為±0.07 dB;用太陽(yáng)測(cè)量G/T值Y因子一般大于17 dB(真值為50)，此項(xiàng)誤差可以忽略。

從以上分析得知:其最大的誤差來(lái)自太陽(yáng)的輻射通量密度。太陽(yáng)法測(cè)天線的G/T值，其精度優(yōu)于±0.25 dB。

5 結(jié)束語(yǔ)

簡(jiǎn)述了利用太陽(yáng)源法測(cè)量S頻段天線系統(tǒng)G/T值的原理和方法步驟，給出了此方法的使用條件和注意事項(xiàng)。結(jié)合工程實(shí)例，以S頻段天線系統(tǒng)G/T值的測(cè)試為例，對(duì)太陽(yáng)源法測(cè)量G/T值的方法進(jìn)行了驗(yàn)證，給出了測(cè)試結(jié)果。通過(guò)與傳統(tǒng)信標(biāo)塔法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果表明，用太陽(yáng)源法測(cè)量S頻段天線的G/T值可以獲得較高的測(cè)量精度，其結(jié)果真實(shí)可信測(cè)量方法簡(jiǎn)單可行。因此可在S頻段中小型天線G/T值的實(shí)際工程測(cè)量中推廣應(yīng)用。■

［1］秦順友，許德森.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，2006:88－133.

［2］林昌祿.天線測(cè)量技術(shù)［M］.成都:成都電訊工程學(xué)院出版社，1987:267－301

［3］袁惠仁.天線參數(shù)的射電天文測(cè)量［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1987:238－240.

［4］GRIFFITHS H D，LIBERT M.Assessment of a Technique for Measurement of Antenna G/T Using Solar Noise［C］∥IEE Colloquium on Novel Antenna Measurement Techniques，1994:1 －6.

［5］毛乃宏，俱新德.天線測(cè)量手冊(cè)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1987:254 －268.

［6］沈民誼，蔡鎮(zhèn)遠(yuǎn).衛(wèi)星通信天線、饋源、跟蹤系統(tǒng)［M］.北京:人民郵電出版社，1993:120－157.

［7］殷 琪.衛(wèi)星通信系統(tǒng)測(cè)試［M］.北京:人民郵電出版社，1997:62－77.

［8］王小強(qiáng)，秦順友.利用仙后座A測(cè)量16 m天線G/T值及誤差分析［J］.無(wú)線電工程，2009，39(11):46－48.

［9］銀秋華，周建寨.反射面天線增益的快速估算［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，2013，39(4):50 －52.

［10］王迎節(jié)，楊社年，聶 磊，等.天線跟蹤和控制測(cè)量方法分析［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，2011，37(4):31－33.

［11］陳奇波.在G/T值測(cè)量中選擇射電星的三原則［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，1997，23(1):10 －14.

［12］李 文，馬中松.G/T值測(cè)試三原則及G/T值測(cè)量方法［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2011(6):33－36.