手持頻譜儀在地面站天線故障檢測中的應(yīng)用

李 光，秦順友

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

頻譜儀對于射頻工程師來說是必不可少的測試工具，廣泛應(yīng)用于無線電技術(shù)的各個領(lǐng)域[1-4]。近年來，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的野外高空作業(yè)需要應(yīng)用頻譜儀，傳統(tǒng)的臺式頻譜儀因其體積大、昂貴等日益制約其應(yīng)用和擴(kuò)展，國內(nèi)外儀器廠家如中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所、是德科技、安立公司和R&S公司等推出了頻段寬、高性能、體積小、重量輕、低成本、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的手持頻譜儀，非常適合野外高空作業(yè)，為現(xiàn)場安裝、維護(hù)、檢測、故障分析提供強(qiáng)有力的保障[5-7]。本文簡單介紹手持頻譜儀的特點(diǎn)，闡述了衛(wèi)星通信地面站天線故障測量的應(yīng)用，該文對于擴(kuò)展頻譜儀的應(yīng)用具有重要的參考價值。

1 手持頻譜儀的主要特點(diǎn)

手持頻譜儀在無線電現(xiàn)場測量中獲得了廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)總結(jié)不同廠家的手持頻譜儀，其表現(xiàn)出顯著特點(diǎn)有[8-9]：

?工作頻段寬：目前手持頻譜分析儀的最高工作頻率可達(dá)50GHz，低端頻率為9kHz，該頻段覆蓋目前衛(wèi)星通信的UHF頻段、L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段、Ka波段和EHF頻段的所有頻段，其連續(xù)頻率覆蓋范圍滿足大部分無線專業(yè)領(lǐng)域的測試要求。

?具有高靈敏度，提供了測量極低電平信號測量的能力，因?yàn)槭殖诸l譜分析儀一般均內(nèi)置了寬帶前置放大器，使頻譜分析儀具有很高的靈敏度。

?具有優(yōu)秀的相位噪聲，可實(shí)現(xiàn)低相位噪聲測量。

?具有重量輕、體積小、堅(jiān)固外殼設(shè)計、工作環(huán)境溫度高、優(yōu)秀電池工作時間等等，使手持頻譜儀非常適合野外、高空和現(xiàn)場測量。

?利用遠(yuǎn)程控制和接口，可用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)手持頻譜儀的遠(yuǎn)程控制操作和測量，其測量結(jié)果直接存儲在計算機(jī)，并可生成測量報告。

?利用頻譜儀的內(nèi)置測量功能，可簡化無線系統(tǒng)的測量，便于輕松驗(yàn)證系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的功能。它們包括場強(qiáng)測量、占有帶寬、信道功率、鄰信道功率比、AM/FM/SSB解調(diào)和載波干擾比等等。

?使用有價值的選件，擴(kuò)大手持頻譜儀的測量功能。這些選件主要包括：高精度功率計選件、干擾分析儀選件、內(nèi)置信號源選件、網(wǎng)絡(luò)分析儀選件、矢量電壓表選件、脈沖測量選件等等，從而使手持頻譜儀具有射頻和微波綜合分析儀的測試能力。

2 地面站天線故障檢測

2.1 地面站天線電磁環(huán)境的檢測

隨著無線電技術(shù)快速發(fā)展，地面站天線的電磁環(huán)境日益惡化，電磁干擾信號日益增多，當(dāng)其干擾方向在天線工作方向上，且工作頻段相同，引起地面站天線工作故障，嚴(yán)重時可能造成天線工作中斷。因此檢查地面站天線故障時，首先排除外界干擾信號的影響。

圖1 地面站天線電磁環(huán)境檢測原理圖

圖1所示，為手持頻譜儀檢測地面站天線電磁環(huán)境干擾的原理方框圖[10]。利用手持頻譜儀很容易測量出地面站電磁環(huán)境干擾頻譜，由測量的干擾頻譜可確定干擾信號頻率、方向，分析干擾信號是否對地面站產(chǎn)生干擾。圖1中需要說明的是對于C頻段以下的波段，可直接利用手持頻譜儀的內(nèi)置放大器，進(jìn)行電磁干擾測量，無需外置寬帶放大器，從而簡化測量。

2.2 天線指向檢測

當(dāng)?shù)孛嬲咎炀€指向衛(wèi)星時，天線軸向增益最大。由于衛(wèi)星漂移、天線結(jié)構(gòu)變形、風(fēng)載荷、重力和熱效應(yīng)等因素，引起地面站天線指向偏離衛(wèi)星，從而引起天線增益損失，系統(tǒng)G/T降低，導(dǎo)致系統(tǒng)載噪比下降。

設(shè)地面站天線指向誤差為Δθ，則用分貝表示的指向誤差引起的增益損失ΔG為[11]：

(1)

式(1)中HPBW為地面站天線半功率波束寬度。

對于帶有自動跟蹤的衛(wèi)星地面站天線系統(tǒng)，按照一定周期自動啟動天線的跟蹤，使天線指向?qū)?zhǔn)衛(wèi)星，克服指向誤差引起的系統(tǒng)載噪比下降；對于沒有自動跟蹤功能的衛(wèi)星地面站天線系統(tǒng)，這種故障是經(jīng)常發(fā)生的，利用手持頻譜儀可以方便地調(diào)整天線指向，使天線波束方向指向衛(wèi)星，以較小或消除指向誤差引起的系統(tǒng)載噪比的下降。

2.3 地面站天線上行鏈路故障檢測

地面站天線上行發(fā)射功率檢測，主要檢測上行鏈路故障，主要包括高功率放大器輸出、上行饋線傳輸和天線輻射，任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，均會引起地面站天線上行鏈路故障。

圖2所示，為地面站高功率放大器輸出檢測原理框圖。利用手持頻譜儀在高功率放大器耦合口測量高功率放大器耦合輸出功率，推算出高功率放大器的輸出功率，分析高功率放大器輸出功率是否正常，從而判斷高功率放大器是否有故障。

圖2 地面站高功率放大器輸出檢測原理框圖

利用手持頻譜儀可對饋線損耗進(jìn)行測量，分析饋線是否存在問題，如饋線插入損耗異常，通常檢查饋線駐波是否存在問題，對波導(dǎo)饋線檢查是否未密封有潮氣等，以排除饋線故障。

對于天線故障問題首先利用手持頻譜儀檢測天線指向是否對準(zhǔn)目標(biāo)，然后檢查天線極化是否與目標(biāo)信號極化匹配；最后檢查天線饋源口密封模是否破損，饋源喇叭進(jìn)水或有潮氣，從而降低天線性能。

2.4 天線下行鏈路故障檢測

衛(wèi)星通信地面站下行鏈路主要天線、低噪聲放大器和下變頻器等組成。通過系統(tǒng)下行載噪比檢測分析下行鏈路是否正常。圖3所示，用手持頻譜儀檢測下行載噪比原理簡圖。

圖3 手持頻譜儀監(jiān)測下行載噪比原理簡圖

利用衛(wèi)星信標(biāo)，手持頻譜儀監(jiān)測的載噪比為[12]：

(2)

式中：C/N―手持頻譜儀監(jiān)測的載噪比；EIRPs―衛(wèi)星信標(biāo)的等效各向同性輻射功率；G/T―衛(wèi)星地面站系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)；Lp―衛(wèi)星與地面站之間鏈路總損耗，包括自由空間傳播損耗和大氣衰減；B―監(jiān)測系統(tǒng)噪聲帶寬，等于1.2倍的頻譜分析儀的分辨帶寬RBW。

通過手持頻譜儀監(jiān)測的載噪比與利用式(2)理論分析計算載噪比進(jìn)行比較分析，從而判斷地面站系統(tǒng)下行鏈路是否存在故障。故障排除的方法是：首先檢查天線指向是否對準(zhǔn)衛(wèi)星，極化是否與衛(wèi)星極化匹配；然后檢查天線饋源網(wǎng)絡(luò)是否工作異常；最后檢查低噪聲放大器及信號傳輸饋線。確保地面站下行鏈路工作正常。

2.5 天線性能檢測

地面站天線維護(hù)完成后，利用手持頻譜儀可對天線方向圖、增益、交叉極化和噪聲溫度主要電性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，確定天線維護(hù)后性能是否滿足天線研制任務(wù)的要求。

利用衛(wèi)星信標(biāo)測量天線方向圖的原理框圖同圖2所示。按照圖2原理框圖，建立測試系統(tǒng)，利用衛(wèi)星信標(biāo)，驅(qū)動天線的方位或俯仰，使天線波束中心對準(zhǔn)衛(wèi)星，并調(diào)整天線極化與衛(wèi)星極化匹配，此時手持頻譜儀測量的衛(wèi)星信標(biāo)信號最大；然后，合理設(shè)置手持頻譜儀的狀態(tài)參數(shù)，轉(zhuǎn)動天線方位或俯仰，手持頻譜儀實(shí)時記錄信號電平的變化，即獲得地面站天線方向圖。通過對測量數(shù)據(jù)的處理，可獲得天線方向圖第一旁瓣電平、波束寬度等性能指標(biāo)。

利用方向圖測量的波束寬度，可用下式評估天線增益的大小[13]。

(3)

式中：θ3AZ—天線方位方向圖的半功率波束寬度；θ3EL—天線俯仰方向圖的半功率波束寬度。

天線交叉極化方向圖測量：在完成天線同極化方向圖測量后，將天線饋源網(wǎng)絡(luò)切換至交叉極化，微調(diào)極化位置，使手持頻譜儀測量交叉極化信號最小，同理測量天線交叉極化方向圖。由測量的主極化和交叉極化方向圖，通過數(shù)據(jù)處理可獲得天線軸向交叉極化隔離度、1dB點(diǎn)交叉極化隔離和交叉極化旁瓣包絡(luò)等性能指標(biāo)。

天線噪聲溫度可采用經(jīng)典的Y因子法進(jìn)行檢測[9-10]。

利用手持頻譜儀完成天線性能主要指標(biāo)檢測后，可對維護(hù)后的天線性能進(jìn)行正確的評估。

3 結(jié)束語

手持頻譜儀因其高性能、體積小、重量輕、低成本、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等，廣泛應(yīng)用于野外高空作業(yè)，現(xiàn)場安裝、維護(hù)、檢測和故障分析等。本文系統(tǒng)介紹了手持頻譜分析儀主要特點(diǎn)和亮點(diǎn)，介紹手持頻譜儀在地面站天線故障檢測中應(yīng)用，闡述了用手持頻譜儀檢測地面站天線故障的方法，分析了故障產(chǎn)生原因。該文對于地面站天線運(yùn)行維護(hù)以及擴(kuò)展手持頻譜儀應(yīng)用具有重要參考價值。