船載衛(wèi)通地球站G/T值外場測量研究*

陳連順

（中國人民解放軍91404 部隊，河北 秦皇島 066001）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)以其通信容量大、覆蓋范圍廣、抗干擾能力強以及通信成本低等特點得到了廣泛應(yīng)用。特別是遠(yuǎn)海通信場景下，它可以為遠(yuǎn)洋艦船提供穩(wěn)定的寬帶信息傳輸[1]。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，地面站天線接收增益G與表示接收系統(tǒng)噪聲性能的等效噪聲系數(shù)T的比值即G/T值（地球站品質(zhì)因數(shù)），是衡量地面站接收系統(tǒng)能力的一項重要技術(shù)性能指標(biāo)[2]。G/T值越大，載波噪聲比越高，表示地球站接收來自衛(wèi)星的信號能力越強。因此，地球站G/T值測試也是地球站接收系統(tǒng)性能測試必不可少的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。

地球站G/T值測試方法有直接測量法和間接測量法另種。本文提出一種基于對比法的G/T值外場間接測量方法，對某船載UHF 頻段衛(wèi)星通信地球站進行測試，針對天線罩給測試帶來的不便，提出天線罩分離的改進測量方法，并對兩種方法進行了對比。

1 G/T 值外場測量方法設(shè)計

1.1 基本原理

間接法測量G/T值是指分別測量待測天線的增益G和接收系統(tǒng)的噪聲溫度T，然后根據(jù)式（1）計算G/T值[3]：

1.2 天線增益測量

對比法測量天線增益的原理是，在已知標(biāo)準(zhǔn)天線增益的條件下，通過對比標(biāo)準(zhǔn)天線與被測天線在接收同一信號時的接收信號強度差值，計算被測天線的接收增益，如圖1 所示。

圖1 天線接收增益測量

由于衛(wèi)通地面站天線為電磁開放系統(tǒng)[4]，測試環(huán)境中的外界電磁信號干擾和環(huán)境溫度的劇烈變化將對測量結(jié)果產(chǎn)生影響較大，因此必須合理選擇測試場地，盡量實現(xiàn)無反射環(huán)境，避免電磁干擾對測試結(jié)果的影響。為了保證本次測量的精度，外場測量選擇將被測天線架高，并在晴空微風(fēng)條件下進行測試，測量過程如下。

（1）用標(biāo)準(zhǔn)接收天線對準(zhǔn)信標(biāo)發(fā)射天線，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)天線角度使頻譜儀上讀出接收信號功率最大，記為P1（dBm）；

（2）用被測天線接對準(zhǔn)信標(biāo)發(fā)射天線，調(diào)整被測天線角度使頻譜儀上讀出接收信號功率最大，記為P2（dBm）；

（3）測試不同頻率下的P1、P2值，通過式（2）計算天線接收增益G天線：

式中，G天線為被測天線增益，G標(biāo)準(zhǔn)天線為已知的標(biāo)準(zhǔn)天線增益。

1.3 接收系統(tǒng)噪聲溫度測量

為避免溫度變化影響測量結(jié)果，保證測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，對接收系統(tǒng)的噪聲溫度的外場測量應(yīng)選擇在地面溫度變化較小的晚上進行，測試原理如圖2 所示。

圖2 接收系統(tǒng)噪聲溫度測量原理

測量時，調(diào)整被測天線，使被測天線方位角任意并以20°仰角指向冷空，記錄環(huán)境溫度。將低噪聲放大器與常溫負(fù)載連接，用頻譜儀測量并讀出相應(yīng)頻率噪聲電平P3（dBm）。斷開常溫負(fù)載，將低噪聲放大器與被測天線連接，用頻譜儀測量讀出相應(yīng)頻率噪聲電平P4（dBm）。

測試不同頻率下的P3、P4值，并利用式（3）計算Y因子：

用式（4）計算接收系統(tǒng)噪聲溫度

式中：Tsys為系統(tǒng)噪聲溫度，單位為K；TC為常溫負(fù)載的噪聲溫度，即環(huán)境溫度，單位為K；TLNA為低噪聲放大器的噪聲溫度，單位為K。在測得天線增益及系統(tǒng)噪聲溫度后，地球站G/T值為：

2 G/T 值外場測量改進方法

為了保護地球站接收系統(tǒng)不被海上高濕度、高鹽霧等惡劣環(huán)境腐蝕損壞，船載動衛(wèi)星通信中通天線一般使用天線罩將天線系統(tǒng)保護起來。但是，在外場工程測量實施過程中，由于系統(tǒng)天線被天線罩封閉，往往出現(xiàn)測試線路引接、天線狀態(tài)觀測和天線狀態(tài)微調(diào)困難。為解決上述問題，提高測試精度及效率，考慮將天線與天線罩分離進行測試，在單獨測試天線增益和噪聲溫度基礎(chǔ)上，加入天線罩引入系統(tǒng)的差損及噪聲溫度，則G/T值計算可由式（6）得出：

式中：Tsys為接收系統(tǒng)噪聲溫度，單位為K；L天線罩為天線罩差損，單位為dB；TL為天線罩引入噪聲溫度，單位為K。

2.1 天線罩插損測量

天線罩差損值測量精度要求較高，為保證精度，在微波暗室內(nèi)單獨測量天線罩差損，通過對比標(biāo)準(zhǔn)天線在加入天線罩前后接收同一位置發(fā)射源發(fā)射的信號強度差計算天線罩差損[6]，測量原理如圖3所示。

測量過程為：

（1）先用標(biāo)準(zhǔn)接收天線接收發(fā)射源的信號，從頻譜儀上讀出接收信號功率，記為P5（dBm）；

（2）用被測天線罩對準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)接收天線罩，從頻譜儀上讀出接收信號功率，記為P6（dBm）；

（3）用式（7）計算天線罩差損L天線罩：

圖3 天線罩插損測量原理

2.2 天線罩引入噪聲溫度

天線罩引入噪聲溫度可由式（8）得出：

式中：TL為天線罩噪聲溫度，單位為K；L天線罩為天線罩差損，單位為dB；T0為環(huán)境溫度，單位為K。

3 測量數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用上述兩種G/T值外場測量方法，選擇對某0.9 m UHF 頻段衛(wèi)星通信船載站進行測量。測量過程中，TLNA=120 K，T0=290 K，得出測量結(jié)果對比見表1。

表1 某0.9 m UHF 頻段衛(wèi)星通信船載動中通天線G/T 值測量結(jié)果

通過測量結(jié)果可知，運用兩種方法在相同條件下測得該天線的G/T 值基本一致，誤差小于0.57 dB/K。但是，在測量天線罩差損時發(fā)現(xiàn)，頻率為344 MHz 時天線罩插損為負(fù)值。究其負(fù)值產(chǎn)生的原因，主要在于兩個方面。一方面，被測天線罩所用材質(zhì)在此頻段的透波率較高，天線罩的理論插損值接近0 dB，在測試過程中受測試儀器本身誤差影響，存在出現(xiàn)負(fù)值的可能。另一方面，受天線介質(zhì)加載效應(yīng)影響，UHF 頻段加載天線罩后，介質(zhì)覆層或介質(zhì)罩子可以改變輻射面的相位分布，會增加或減小天線輻射特性的影響而出現(xiàn)負(fù)值?？梢姡炀€罩差損出現(xiàn)負(fù)值屬于正?，F(xiàn)象，不影響測試結(jié)果?，F(xiàn)實中部分商用產(chǎn)品也存在對天線進行介質(zhì)加載后提高天線輻射效果的實際應(yīng)用案例。

4 結(jié)語

本文簡述了衛(wèi)星通信地球站G/T 值測量原理，提出了基于對比法的船載衛(wèi)星通信地球站G/T 值外場測量方法。針對外場測量，船載地球站天線罩給測試測量帶來了不便，提出了天線與天線罩分離測試的外場改進測試方法。結(jié)合某UHF 船載衛(wèi)星通信地球站測量實例對兩種測試方法進行比對，針對UHF 頻段天線罩差損測試出現(xiàn)負(fù)值的現(xiàn)象，分析差損為負(fù)產(chǎn)生的原因，得出不影響測試結(jié)果的結(jié)論。雖然兩種測試方法均可以實現(xiàn)G/T 值外場測量，但改進的測量方法更加直觀，具有很強的可操作性，對船載小口徑衛(wèi)星通信地球站G/T 值外場測量具有積極的借鑒意義。