大型天線罩傳輸損耗測試的一種新方法

王 強，何元春，王萬玉，馮旭祥

（中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094）

0 引 言

天線在帶罩的情況下，由于罩的影響，將引起天線電性能的惡化，如天線方向圖旁瓣電平升高、波束展寬、增益降低、瞄準軸偏移和產(chǎn)生交叉極化分量等[6-8]。天線罩傳輸損耗是天線罩重要的技術(shù)指標之一，研究天線罩的傳輸損耗測量方法可為地面接收系統(tǒng)的設(shè)計和測試驗收提供理論依據(jù)，具有重要的應(yīng)用價值。

測試天線罩整罩傳輸損耗的傳統(tǒng)方法為比較法，利用頻譜儀測量天線帶罩和不帶罩情況下接收信號的功率電平，計算兩者的差值，即為天線罩的傳輸損耗[9]。該測試方法需遠場標校高塔，并在高塔上架設(shè)測試天線和信號源。但當系統(tǒng)工作頻率擴展至Ka頻段后，遠場條件很難實現(xiàn)。因此該測試方法實現(xiàn)起來難度極大，應(yīng)考慮無塔測試方案。

本文提出了大型天線罩整罩傳輸損耗測試的一種新方法。首先，將天線罩傳輸損耗等效為天線輸入口的損耗，給出了大型天線罩整罩傳輸損耗計算公式；然后，采用Y因子法測量衛(wèi)星地面系統(tǒng)加天線罩前后的天線噪聲溫度，計算得到天線罩傳輸損耗。與傳統(tǒng)測量天線罩傳輸損耗的方法相比，該方法簡捷、實用，不需架設(shè)遠場標校塔、測試天線及信號源等，僅利用衛(wèi)星地面系統(tǒng)已有的設(shè)備即可測量天線罩傳輸損耗。最后，給出了某工程實際應(yīng)用的20 m天線罩的傳輸損耗測量結(jié)果，測量結(jié)果同理論預(yù)算基本吻合，從而證明了該方法的可行性。

1 比較法簡介

比較法測量天線罩傳輸損耗的原理如圖1所示。遠場法測量天線罩傳輸損耗的原理是：利用頻譜儀測量天線不帶罩情況下接收信號的功率電平P1，帶罩情況下接收信號的功率電平P2，計算兩者的差值L=P1-P2，即為天線罩的傳輸損耗。

圖1 比較法測量天線罩傳輸損耗原理

需要指出的是：比較法需在兩天線（塔上測試天線與被測天線）極化匹配，且均在最大增益方向?qū)蕳l件下進行[9]。此次，遠場測試需要的條件為：（1）被測天線與標校塔上測試天線之間應(yīng)無遮擋物。（2）滿足遠場測試距離條件，即遠場測試距離R≥2D2/λ（D為待測天線口徑，R為測試距離，λ為工作波長），如12 m口徑天線，工作頻率為27.5 GHz，遠場測試距離為26.4 km；按照工程經(jīng)驗，測試距離最小需大于遠場條件下的1/4，最小需6.6 km[10]。（3）為了降低地面反射的影響，架設(shè)測試天線的標校塔高度至少需100 m。另外，由于收發(fā)天線對準時仰角是一定的，因此測量的天線罩傳輸損耗為某一仰角的局部傳輸損耗，無法測量天線罩任意位置的傳輸損耗。

2 測試原理

由天線理論可知，無罩天線噪聲溫度計算公式為：

則無罩時的天線損耗L1為：

3.抓住“錢”這一重要元素。爭取資源，經(jīng)費是社區(qū)活動開展的基礎(chǔ)。沒有錢，是做不成事情的。老舊散小區(qū)本沒有收入來源，可以通過規(guī)范形成一批功能用房、停車位等，增強造血功能，以院養(yǎng)院；可以通過項目制申報，向上爭取專項資金；可以通過轄區(qū)企業(yè)捐贈、自治組織運行等，獲得服務(wù)或活動資金。

式中：TA1為無罩時的天線噪聲溫度；Ta為外部噪聲溫度；T01為無罩時的環(huán)境溫度。

將天線罩傳輸損耗等效為天線輸入口的損耗，則含天線罩后天線噪聲溫度計算公式為：

含罩時的天線損耗L2為：

式中：TA2為含罩時的天線噪聲溫度；Ta為外部噪聲溫度；T02為含罩時的環(huán)境溫度。

天線罩的損耗L（單位為dB）為：

3 測試方法和程序

由式（5）可知，只要測量出衛(wèi)星地面系統(tǒng)天線加天線罩前后的天線噪聲溫度，就可得到天線罩傳輸損耗。測試程序如下：

（1）天線罩未安裝之前，測量衛(wèi)星地面系統(tǒng)天線噪聲溫度TA1。

（2）天線罩安裝之后，再次測量地面系統(tǒng)天線安裝天線罩后的天線噪聲溫度TA2。

（3）根據(jù)兩次測量得到的天線噪聲溫度，由式（5）計算得到天線罩傳輸損耗。

天線噪聲溫度測量采用Y因子法。圖2為天線噪聲測試原理。測試步驟如下：

（1）如圖2所示，將LNA輸入端連接到待測天線饋源和輸出端口，頻譜儀連接LNA輸出端。

圖2 天線噪溫測試原理

（2）天線指向冷空，轉(zhuǎn)動天線方位，記錄頻譜儀電平P1。

（3）天線方位角保持不動，連接LNA輸入端到常溫負載，記錄頻譜儀讀數(shù)P2。

（4）Y因子的計算公式為：X＝P1-P2，Y＝10X/10。

（5）待測系統(tǒng)天線噪聲溫度TA的計算公式為：TA=(TH+TLNA)Y-TLNA。其中TLNA為場放噪溫；TH為測試時常溫負載所處的環(huán)境溫度。

4 測試驗證

利用本文的測試方法，對某工程項目20 m S/X/Ka金屬骨架結(jié)構(gòu)天線罩整罩的傳輸損耗進行測試，測試結(jié)果見表1所列；對某工程項目20 m S/X玻璃鋼泡沫夾層結(jié)構(gòu)整罩的傳輸損耗進行測試，測試結(jié)果見表2所列。

表1 20 m S/X/Ka金屬骨架結(jié)構(gòu)天線罩整罩傳輸損耗測試結(jié)果

表2 20 m S/X玻璃鋼泡沫夾層結(jié)構(gòu)天線罩整罩傳輸損耗測試結(jié)果

20 m S/X/Ka金屬骨架結(jié)構(gòu)天線罩整罩的傳輸損耗理論預(yù)算值：S波段為0.15 dB，X波 段 為0.3 dB，Ka波 段 為0.8 dB。20 m S/X玻璃鋼泡沫夾層結(jié)構(gòu)整罩的傳輸損耗理論預(yù)算值：S波段為0.2 dB，X波段為1.0 dB。

從表1、表2可以看出，測試結(jié)果與理論預(yù)算結(jié)果吻合較好，說明本文方法是可行的，可作為地面接收系統(tǒng)的設(shè)計和測試驗收的依據(jù)。

5 結(jié) 語

針對大型天線罩整罩傳輸損耗的測試問題，本文將天線罩傳輸損耗等效為天線輸入口的損耗，給出了大型天線罩整罩傳輸損耗計算公式和測試程序。利用該方法測試了某工程實際使用的金屬骨架結(jié)構(gòu)天線罩整罩的傳輸損耗，測量結(jié)果同理論預(yù)算基本吻合，從而證明了該方法的可行性。與通過比較法測量天線罩傳輸損耗相比，本文提出的測試方法簡捷、實用，主要優(yōu)勢為：（1）不需遠場標校高塔、測試天線和信號源等，僅利用衛(wèi)星地面系統(tǒng)已有的設(shè)備即可測量天線罩傳輸損耗；（2）可測量天線罩任意位置的傳輸損耗。

由于大型天線罩的拼裝及安裝有一定的周期，無法保證待測天線在帶罩和不帶罩的情況下具有相同的氣候條件，將給測試帶來一定的誤差。這一點與比較法相同。因此，應(yīng)盡可能選擇氣候條件相同的情況進行測試。