UHF頻段衛星通信地球站電磁環境測試探討*

李勇，王世琦，趙騰飛，于衛東，王海

（中國電子科技集團公司第54研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

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

衛星通信地球站電磁環境干擾測試需要針對擬建站的主要工作性能和參數，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，測量干擾情況，并對所測數據進行分析，確定是否存在干擾，為站址選擇提供技術支撐。

通過現場測試和干擾分析可有效實現不同業務的兼容，提高無線電頻譜資源的利用率。

有關電磁干擾方面應注意以下3 個方面：

（1）來自地面微波系統的干擾，其工作頻段與衛星通信頻段重合，如站點設置不當會產生同頻干擾。

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

（3）其他干擾。雖然實際情況并不太嚴重，但也應注意站點附近的火電裝置、電氣設備、高壓線等工業設備的干擾；此外為了防止個人私裝衛星電視接收裝置，有些地方部門擅自安裝衛星電視信號干擾器，對衛星通信系統也存在一定的干擾。

1 擬建地球站基本信息

在進行電磁環境測試之前，首先要收集掌握擬建站的主要技術特性。假設擬建地球站地理位置坐標為：東經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°（衛星經度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 測試系統組成

UHF 頻段電磁環境測試系統由UHF 頻段對數周期天線、頻譜儀、UHF 頻段低噪聲放大器、計算機、三角架、測試天線自動旋轉裝置、低損耗軟質電纜等組成。測試系統設備連接圖如圖1 所示。UHF 頻段對數周期天線接收到微弱信號，經UHF 頻段低噪聲放大器進入頻譜儀，計算機通過儀器控制軟件控制頻譜儀，進行圖片、數據等處理，同時也可通過控制軟件對天線自動旋轉裝置進行方位角和極化角控制。

圖1 電磁環境測試系統設備連接圖

3 指標分析和干擾電平標準

3.1 指標分析

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

（1）參照GB 8702，UHF 頻段限值為電場強度12 V/m，等效平面波功率密度0.4 W/m2。國標GB 8702 是面向公眾限定的標準，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 時的限值為87 dBμV/m，該標準的限值跟上面標準的限值相比，明顯嚴出百倍以上。但此標準范圍僅適用于UHF 頻段內的無線電監測站。標準中給出的限值適不適合用于地球站，還有待業界考證。

（3）UHF 地球站建成后，地球站的使用多數都是UHF 地球站的需求方，為此，建站需求方技術專家也可根據自身地球站的技術參數計算，給出UHF 地球站允許限值。

電磁環境測試天線接收口面處的系統整體靈敏度指標應優于相關標準中給出的衛星通信地球站接收機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的諧波輻射干擾，落入衛星通信地球站接收機輸入端的干擾信號電平應該比正常工作時的接收信號低25 dB。

（b）來自于短波廣播的發射干擾，在衛星地球站通信系統的電場強度應小于等于105 dBμV/m。

（c）來自于1～5 頻道電視廣播、調頻廣播（88 MHz～108 MHz）和中波（300 kHz～ 3 MHz）的發射干擾，在衛星地球站通信系統的電場強度應小于等于125 dBμV/m。

（d）來自于雷達系統的干擾信號，規定落入衛星通信地球站接收機輸入端的干擾峰值電平應該比正常工作時的接收信號低10 dB。

（e）來自工作在1 GHz～18 GHz 頻段的醫療、科學和工業設備的輻射干擾，落入地面站接收機輸入端的干擾信號電平應比正常工作時的接收信號低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生干擾。

在測試系統中未加放大器時，頻譜儀顯示的空間信號強度（dBm）和電場強度dBμV/m 轉換公式為：

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

3.2 干擾電平標準

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

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

4 測試方法

在預定的電磁環境測試場區，對UHF 頻段（335.4 MHz～351 MHz）分別進行垂直極化和水平極化測試。為了解周邊的電磁環境，在測試過程中以正北為方位0°，按順時針旋轉，對測試場區內0°～360°全方位進行干擾測試，并對衛星地球站所使用的星位方向重點測試。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，應檢查儀器儀表能否正常工作。由于測試環境的不確定性，應提前考慮用電情況，若用電不方便可準備發電機或其它供電方式。正式測試工作可依據建站方需求時間段進行，但測試時間不宜過短，需考慮饋線損耗以及設備不穩定等因素的影響。

具體操作步驟為：

（1）到達預定位置區域，選擇相對開闊之處開始工作。在測試點[2,6]按照圖1 所示連接測試系統，天線應高于1.5 m 架設，且設備接地良好。摸清周邊可疑的強輻射源。當辨別不清時應先不加放大器，以免儀器損壞。測試儀器使用前應預熱10 分鐘以上。

（2）使用指南針對所測點的磁北方向進行測量并記錄，結合當地磁偏角，把天線指向真北0°方位角之處。

（3）頻譜儀的頻段設置應覆蓋UHF 頻段（335.4 MHz～351 MHz），且為掃頻狀態。接收天線俯仰角保持在0°，按照順時針方向低速均勻轉動方位角0°～360°，同時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）如果發現了干擾信號，則調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）在衛星地面站天線的工作角度（星位方向）附近，需重點觀察，反復測試。

測試完畢后，根據測試結果，結合各儀器設備、饋線的增益和衰減值，計算得出最終的干擾電平值[7]。將測量結果與指標要求進行比對，最終形成電磁環境測試報告。

5 測試系統參數

下面將具體描述一次針對335.4～351 MHz 衛星通信地球站選址地點的電磁環境測試實例，以實踐上述理論。

電磁環境測試系統的方框圖如圖2 所示。測試設備及附件的情況如表1 所示。

圖2 電磁環境測試系統方框圖

表1 針對335.4～351 MHz的測試設備及附件指標

5.1 測試系統靈敏度

通過計算測試系統的靈敏度，可以確定測試系統能否滿足電磁環境的測試要求。測試系統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。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。

由奈奎斯特定理可得，進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，即測試系統等效輸入噪聲功率（dBm）；k為波爾茲曼常數，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。

頻譜儀對應帶寬的靈敏度PC應比PH低10 dB 以上，即滿足PH-PC＞10 dB。將表1 內的數值代入，得：

計算結果如表2 所示。頻譜儀靈敏度PC是所用頻譜儀的計量結果值。可見PC比PH低11.5 dB，測試系統滿足測試要求。

表2 針對335.4～351 MHz的測試系統靈敏度（每10 kHz）

5.2 測試系統的干擾信號場強計算

將頻譜儀實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：

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

由于該測試系統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。

在某站址對測試點進行UHF 頻段電磁環境的測試，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的干擾信號場強為：

6 測試結果及數據分析

6.1 測試頻譜圖

在預定天線位置，按照測試系統方框圖連接好測試設備，測試天線離地面高1.6 m，加電和自校。按照工作參數設置頻譜分析儀狀態。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°）進行掃描觀測、對衛星（70.5°E、130.5°E）的兩個方位（236.6°、155.1°）進行長時間重點觀測，測試結果見頻譜圖（如圖3 至圖8）：

圖3 水平極化、方位0°—360°、俯仰0°時的頻譜圖

圖4 垂直極化、方位0°—360°、俯仰0°時的頻譜圖

圖5 水平極化、方位236.6°、俯仰0°時的頻譜圖

圖6 垂直極化、方位236.6°、俯仰0°時的頻譜圖

圖7 水平極化、方位155.1°、俯仰0°時的頻譜圖

圖8 垂直極化、方位155.1°、俯仰0°時的頻譜圖

在圖3 至圖8 的6 個圖中，圖3 為測試天線處于水平極化、俯仰0°、方位0°—360°的實測頻譜圖；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°時的實測頻譜圖；圖6 為測試天線處于垂直極化、俯仰0°、方位236.6°時的實測頻譜圖；圖7 為測試天線處于水平極化、俯仰0°、方位155.1°時的實測頻譜圖；圖8 為測試天線處于垂直極化、俯仰0°、方位155.1°時的實測頻譜圖。

6.2 測試結果分析

（1）天際線仰角

經勘測，在地球站天線覆蓋范圍內的155°～237°（對應衛星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）電磁環境測試結果及分析

電磁環境測試的數據及分析計算如表3 和表4 所示。

表4 測試數據分析計算

由干擾電平標準可知：當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，即不會對正常接收信號產生干擾。由表4 中的測試數據分析計算結果可見：測試天線口面處的干擾信號場強比允許的干擾電場強度低50 dB 以上，因此在該測試點建設UHF 頻段地球站不會受到干擾，該站址的電磁環境符合使用要求。

7 結束語

電磁環境測試對衛星地球站的選址，乃至通信系統的運行都至關重要，建議主管部門對電磁環境測試工作給予足夠重視，加大經費投入，無論是在原址擴展使用頻段還是新選站址，都需要先進行電磁環境測試。UHF頻段地球站電磁環境目前還沒有相應的標準和明確執行的依據，本文參照相近的標準對UHF 頻段地球站進行了測試，并對數據進行了分析比較，對工程測量有一定的參考作用，對以后UHF 頻段地球站電磁環境標準的制定也有一定的參考和推進作用。