有源相控阵天线G

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1、有源相控阵天线G/T值测量及误差分析任冀南 秦顺友 陈辉 吴伟伟(中国电子科技集团公司第54研究所，河北石家庄050081 )摘 要：简述了地面站天线系统G/T值测量的传统方法。论述了室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的原理 方法，推导出测量的原理方程。分析了 G/T值测量误差，其均方根误差小于或等于土0.422dB。最后给出了 S波段19元 阵天线系统G/T测量结果，实测结果与预算结果吻合很好。关键词：有源相控阵天线；G/T测量；误差分析G/T Measurement and Error Analysis for Active Phased ArrayAntennaREN Ji-nan

2、, QIN Shun-you, CHEN Hui, WU Wei-wei(The Fifty Fourth Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081, China )Abstract: In this paper, traditional measurement methods are described simply for earth station system G/T value. Measuring principle and procedure of active phased array antenna G/T value are

3、discussed using outdoor direct far-field method, and measuring principle equation is derived. Error of G/T value measurement is analyzed, and results show that RMS error of G/T value measurement is less than or equal to 0.422dB. Measuring result of S-band 19-unit array antenna G/T value is given, te

4、st result agrees with prediction result.Key words：active phased array antenna; G/T measurement; error analysis相控阵天线引言G/T 是地面站系统的重要性能参数之一，其 性能好坏直接影响系统的灵敏度。目前G/T值传 统的测量方法有间接法和直接法123。所谓间接 法就是分别测量出天线接收增益和系统噪声温 度，从而计算系统G/T值的方法；直接法又可细 分为卫星载噪比法和射电源法。卫星载噪比法就 是直接测量地面站天线接收卫星信号的载噪比， 从而确定G/T值的方法，该方法非常适合卫星通 信地面站

5、天线系统G/T测量；射电源法就是测量 地面站天线指向射电星和冷空时的Y因子，从而 计算G/T值的方法。由于射电源的信号很微弱， 对于小型地面站，其系统G/T很小，则很难观测 到射电源的信号4。对于有源相控阵天线，因其射频单元与天线 单元集成在一起，其天线测试方法不同于常规的 无源天线测量。对于有源相控阵天线系统G/T 值测量，无法采用间接法测量系统G/T值；另外 如果天线工作频段与卫星频段不符，且系统 G/T 值较小，则采用卫星载噪比或射电源法测量其 G/T 值具有局限性。为此我们提出了在室外远场 直接法测量有源相控阵天线G/T值的方法。实践 证明：该方法是切实可行的，在G/T值测量中值得推广

6、和应用。1 测量原理和方法图 1 所示为室外远场法测量有源相控阵天线 G/T 值原理方框图。图1室外远场法测量相控阵天线G/T值原理方框图 图1中，R为测试距离，R应满足远场测试 距离条件，即R2D2/A (D为待测天线最大尺寸， 久为工作波长)。由功率传输方程可得：频谱分析 仪测量的载波功率C为7：PG GGC t Snet( 1)L L丿P RF式中：C频谱仪测量的载波功率;Pt标准增益喇叭天线的发射功率；GS标准增益喇叭天线的增益；G待测有源相控阵天线的增益；G t有源相控阵天线网络的总增益；Lp自由空间的传播损耗；lrf相控阵天线与频谱仪之间射频电缆损 耗。测量的仰角上（确保有源相控阵

7、天线接收不到标将待测有源相控阵天线方位偏开，俯仰转到 准增益喇叭的发射信号），则频谱分析仪测量的噪 声功率N为：2 kTBGN = netLRF(2)式中：k波尔兹曼常数，等于1.38x10-23 （J/K）；T有源相控阵天线系统噪声温度；B接收机噪声带宽，它等于频谱分析仪分 辨带宽RBW的1.2倍。由式（1）和式（2）可得测量的载噪比C/N 为：要误差有：信号源发射功率的测量误差、标准喇 叭的增益校准误差、载噪比测量误差、路径损耗 误差、极化损失误差、天线指向损耗误差和有限 测试距离引起的误差等等。表1所示为G/T值测 量均方根误差的估算结果。由表1可知远场直接 法测量有源相控阵天线G/T值

8、的均方根误差小于 或等于土 0.422dB。误差源误差（dB）信号源发射功率测量误差0.20标准喇叭的增益误差0.20载噪比测量误差0.30自由空间传播损耗测量误差0.05有限测试距离引起的测量误差-0.03极化失配引起的测量误差-0.05指向引起的测量误差-0.05G/T测量的均方根误差0.422表1 G/T值测量的均方根误差3测量实例这里给出S波段圆极化19元阵天线的G/T 值测量为例，说明室外远场法测量有源相控阵天 线G/T值的方法。图2所示为实际的测试系统图。C PG G tS N LkBT p(3)由式（3）可求得用分贝表示的有源相控阵天 线的G/T值为：C228.6 + + L +

9、 B - P - GN pt s(4)式（4）就是室外远场直接法测量G/T值原 理公式，式中发射功率单位为dBW。现代频谱分 析仪可直接测量归一化噪声功率N0，则G/T值与 归一化载噪比C/N0的关系为：G= 228.6 + 一 + L -P -G（5）TNp t s0图2室外远场测量相控阵天线G/T值实际系统图如果待测天线为圆极化天线，利用式（5）测量出待测天线长轴方向的G/T值，然后加上极化 损失即得待测圆极化天线的G/T值。由测量出待测天线的轴比AR （dB），则计算极化损失Lpoi为8：Lpol=10 X+ 10-AR 10 )(6)2测量误差分析已知测试频率为2.185GHz,标准增

10、益喇叭增 益为17.3dBi,使用测试仪器Agilent 8563EC频谱 分析仪，测得信号源的输出功率-40dBm,信号源 与标准增益喇叭之间射频电缆损耗为2.24dB,收 发天线之间的距离为6米，测量的载波功率为 -30.50dBm。有源相控阵天线指向天顶方向时，测量的归 一化噪声功率为-136.1dBm/Hz,则由式（5）计算 待测天线的G/T值为：由式（5）的G/T值测量方程和测量原理可知: 室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的主228.6 +105.6 + 54.79 + 72.24 -17.3= 13.27 dB/K因有源相控阵天线极化为圆极化，应考虑极 化损失。测得在最大方

11、向圆极化轴比为 0.6dB， 由式(6)计算得极化损失2.72dB，则待测圆极 化相控阵天线的G/T值为：13.27 + 2.72 = 10.55 dB/K该相控阵天线系统 G/T 的理论预算结果为 -10.19dB，由此可见在测试误差允许的范围内， 测试结果同理论估算结果吻合很好，从而验证了 该方法的可行性。4 结束语随着有源相控阵天线技术的发展，相控阵天 线校准和测量技术面临着挑战。传统的天线测量 技术无法满足有源相控阵天线测试的需求。本文 简述了地面站天线系统G/T值测量的传统方法。 论述了室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T 值的原理方法，推导出测量的原理方程。分析了 G/T 值测量

12、误差，其均方根误差小于或等于 0.422dB。实践证明：该方法是切实可行的，在有 源相控阵天线G/T值测量中，值得推广和应用。参考文献1 秦顺友, 许德森编著. 卫星通信地面站天线工程测量技术M.北京：人民邮电出版社,2006:147-157.2 INTELSAT SSOG 210. Earth station verification testsS. 2002. 陈奇波.地球站品质因数(G/T)测量方法综述J.通信学报, 1995, 16(2):40-50.4 陈奇波, 英风仪. 在 G/T 值测量中选择射电源的三 原则J.无线电通信技术,1997,23(01):10-14.5 孟明霞, 丁

13、晓磊, 丁克乾, 赵英华. 低副瓣有源相控阵天线测试方法研究J.遥控遥测,2011,32(4):55-60.6 李宏，薛冰，杨英科.相控阵天线的测试技术J.中 国测试技术, 2003,(5):10-13.7 毛乃宏等编著天线测量手册M.北京：国防工业 出版社, 1987:28-29.8 秦顺友, 杨可忠, 陈辉. 不同极化天线增益测量技术J. 2003,17(01):7-11.作者简介任冀南 (1982-)，男，石家庄人，助理工程师.从事 卫星通信地球站天线工程测量技术.秦顺友 (1964-)男，河南人。研究员，硕士研究 生导师，中国电子学会高级会员。主要从事研究的领域为： 微波与天线测量技术、微弱信号检测和电磁干扰测量等.陈辉 (1969-)，男，石家庄人，高级工程师.从事微 波与天线测量技术.吴伟伟 (1982-)，女，河北藁城人，工程师.目前主 要从事天线调试、检修和测量工作。