天線方向性圖的測(cè)量

高彤鼎

對(duì)于一面發(fā)射天線，如果有另一面性能較好的接收天線相配合，就可以測(cè)定發(fā)射天線的發(fā)射方向圖。對(duì)于一面接收天線，如果有一面發(fā)射天線相配合，就可以測(cè)定接收天線的接收方向圖。只是在測(cè)定方向圖時(shí)，不管被測(cè)的是發(fā)射天線還是接收天線，都需要有電動(dòng)伺服系統(tǒng)，能夠平穩(wěn)地、連續(xù)地在方位面和俯仰面上進(jìn)行調(diào)整。用來配合測(cè)試的天線可以與被測(cè)天線處于同一地球站內(nèi)，也可以處在地理位置相隔較遠(yuǎn)的地球站上。

這種測(cè)定天線方向性圖的方法，稱為“輔助地球站測(cè)量法”。要想測(cè)定發(fā)射天線的方向性圖，則與之配合的接收天線就是“輔助地球站”；要想測(cè)定接收天線，則與之配合的發(fā)射天線就是“輔助地球站”。這種測(cè)量法與其它一些方法相比有以下優(yōu)點(diǎn)：一是既能測(cè)接收方向圖，又能測(cè)發(fā)射方向圖；二是測(cè)量的角度范圍比較大，能夠測(cè)到遠(yuǎn)旁瓣；三是測(cè)量的結(jié)果比較準(zhǔn)確，測(cè)量精度在可控范圍內(nèi)。

使用這種測(cè)量方法，不論是測(cè)量發(fā)射方向性圖還是測(cè)量接收方向性圖，都必須向衛(wèi)星發(fā)射一個(gè)不加調(diào)制的單載波，且要求其頻率和功率都十分穩(wěn)定。上行功率的確定要考慮兩個(gè)方面的因素，一方面上行功率要足夠大，以保證在天線轉(zhuǎn)動(dòng)到遠(yuǎn)旁瓣時(shí)仍能接收到信號(hào)；另一方面，上行功率又不能過大，避免使衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)入飽和狀態(tài)，一旦轉(zhuǎn)發(fā)器處于飽和狀態(tài)，會(huì)影響方向性圖在主瓣附近的細(xì)節(jié)，還會(huì)影響主瓣與旁瓣之間的電平關(guān)系。如圖1（a）所示，某天線在測(cè)試時(shí)因?yàn)樯闲邪l(fā)射功率太大導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)器飽和，主瓣被壓縮，主瓣與旁瓣的電平差不符合指標(biāo)要求；而在調(diào)小發(fā)射功率后再測(cè)，結(jié)果就正常了，見圖1（b）。所以，確定上行功率時(shí)需要得到衛(wèi)星測(cè)控站的幫助，只要確認(rèn)在天線主瓣對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)器未飽和即可。

上行功率的確定還要兼顧測(cè)試接收機(jī)的性能，以保證接收機(jī)工作在線性范圍內(nèi)，避免由于接收機(jī)的原因?qū)е聹y(cè)量誤差。在測(cè)量中還需注意，盡可能不使用LNB（低噪聲下變頻單元），而應(yīng)使用LNA（低噪聲放大器），且放大器中不可啟用AGC（自動(dòng)電平調(diào)整）功能。這些因素都會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量的精度。

根據(jù)有關(guān)規(guī)定的要求，天線方向性圖的測(cè)定范圍一般不小于±15度，在此情況下，方向性圖主瓣和遠(yuǎn)旁瓣的電平差至少在30分貝以上，如果上行功率的電平大小難以兼顧這么大的范圍，也可把方向圖分成兩部分來測(cè)，即用較小功率來測(cè)定主瓣附近的方向圖，而用較大功率來測(cè)定旁瓣（包括近旁瓣和遠(yuǎn)旁瓣）的方向圖。在通常的測(cè)試條件下，測(cè)定的角度范圍可以小一些，比如±10度，這時(shí)的主瓣和遠(yuǎn)旁瓣的電平差會(huì)稍小一些，上行的發(fā)射功率就比較容易確定了。

在開始測(cè)量之前，還需要了解天線的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。通常天線生產(chǎn)廠家都會(huì)在說明書中提供這一指標(biāo)（比如0.02-0.03度/秒），可以根據(jù)這個(gè)速度結(jié)合需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來估算轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。如果查不到這一速度指標(biāo)，就需要實(shí)測(cè)一下?？梢韵劝烟炀€的方位或俯仰偏離正常位置15度（或其它度數(shù)），記錄一下所需的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。實(shí)際上天線的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度是均勻的，但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)系，單位時(shí)間內(nèi)天線面轉(zhuǎn)動(dòng)的角度并不是均勻的。但不管怎樣，天線所需的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間對(duì)于測(cè)量來說很重要，因?yàn)樾枰盟鼇碓O(shè)定頻譜（記錄）儀的掃描時(shí)間。

有時(shí)天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)的方位正好接近兩個(gè)驅(qū)動(dòng)扇面的切換點(diǎn)或是接近天線的轉(zhuǎn)動(dòng)極限，天線轉(zhuǎn)不了幾度就無法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)了。這時(shí)的解決方法有兩個(gè)，一是換一顆衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)試，二是減小測(cè)試的角度范圍，能測(cè)幾度測(cè)幾度。

用輔助地球站法測(cè)量天線方向性圖所需的儀器也比較簡(jiǎn)單，一般說來有一臺(tái)頻譜分析儀就可以了，必要時(shí)還可以準(zhǔn)備一個(gè)精密衰減器，用來進(jìn)行電平校準(zhǔn)。但是接收天線上需要使用一個(gè)LNA（低噪聲放大器），如果使用LNB（低噪聲下變換器，俗稱高頻頭）的話，會(huì)因?yàn)槠鋭?dòng)態(tài)范圍不夠或線性度不好，或是在變頻過程中產(chǎn)生一些誤差而影響測(cè)量結(jié)果。

測(cè)試時(shí)的設(shè)備和儀器連接如圖2所示。如果被測(cè)的是發(fā)射天線，就讓發(fā)射天線轉(zhuǎn)動(dòng)起來，由接收天線記錄測(cè)試結(jié)果，此時(shí)接收天線是所謂“輔助站”；如果被測(cè)的是接收天線，則由發(fā)射天線提供測(cè)試信號(hào)，接收天線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)并記錄測(cè)試結(jié)果，此時(shí)發(fā)射天線是“輔助站”。

實(shí)際中測(cè)得較多的是天線的發(fā)射方向性圖。圖3所示的是對(duì)一架7.3米發(fā)射天線水平方向圖所作的測(cè)量，測(cè)量的范圍為±5度，掃描時(shí)間為510秒。

在對(duì)天線進(jìn)行方位方向性圖測(cè)量時(shí)，由于天線空間方位的平面指向角不同于天線的水平方位角，所以還需對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正。如果天線的水平方位角是φAZ，天線的空間方位平面指向角是是θAZ，天線在垂直方向的仰角是δEL，則三者之間有以下關(guān)系：

可見，空間的平面指向角與水平方位角是存在著不小差距的，且天線的俯仰角度越大，這個(gè)差距就越大。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，需要考慮到這個(gè)因素。一方面，天線水平方位轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍要適當(dāng)?shù)卦龃笠恍?，比如要測(cè)量±10度范圍內(nèi)的方位方向性圖，則天線水平方位角的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍可能需要在±15度左右；另一方面，在實(shí)際測(cè)量中，測(cè)試儀器記錄的方位方向性圖是按水平方位角來展開的，需要折算到空間方位的平面指向角。比如在確定主瓣寬度的時(shí)候，如果按測(cè)得的方向性圖直接測(cè)算，則得出的主瓣寬度必然大于實(shí)際值。

與水平方位角不同，由于天線空間方位的垂直指向角與天線的仰角是一致的，所以俯仰方向性圖的測(cè)量范圍與天線仰角的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是一致的，不必進(jìn)行修正。

隨著太空中衛(wèi)星數(shù)量的增多，對(duì)發(fā)射天線的性能要求也在不斷提高，以盡可能減少對(duì)鄰星的干擾。而測(cè)定的天線方向性圖就是確定天線是否合格的依據(jù)。對(duì)于不合格的發(fā)射天線，衛(wèi)星公司是不允許其入網(wǎng)的。