有源相控阵天线G-T测量及误差分析

有源相控阵天线G-T测量及误差分析有源相控阵天线G-T测量及误差分析有源相控阵天线G-T测量及误差分析有源相控阵天线G-T测量及误差分析编制仅供参考审核批准生效日期地址：电话：传真:邮编: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±。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/TMeasurementandErrorAnalysisforActivePhasedArrayAntennaRENJi-nan,QINShun-you,CHENHui,WUWei-wei(TheFiftyFourthInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)Abstract:Inthispaper,traditionalmeasurementmethodsaredescribedsimplyforearthstationsystemG/Tvalue.MeasuringprincipleandprocedureofactivephasedarrayantennaG/Tvaluearediscussedusingoutdoordirectfar-fieldmethod,andmeasuringprincipleequationisderived.ErrorofG/Tvaluemeasurementisanalyzed,andresultsshowthatRMSerrorofG/Tvaluemeasurementislessthanorequalto±.MeasuringresultofS-band19-unitarrayantennaG/Tvalueisgiven,testresultagreeswithpredictionresult.Keywords：activephasedarrayantenna;G/Tmeasurement;erroranalysis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[1][2][3]。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[5][6]。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。相控阵天线相控阵天线标准天线频谱仪R信号源图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R≥2D2/λ（D为待测天线最大尺寸，λ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]：（1)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；Gnet—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。将待测有源相控阵天线方位偏开，俯仰转到测量的仰角上（确保有源相控阵天线接收不到标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）式中：k—波尔兹曼常数，等于×10-23（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的倍。由式（1）和式（2）可得测量的载噪比C/N为：（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：（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：（5）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Lpol为[8]：（6）2测量误差分析由式（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值的均方根误差小于或等于±。表1G/T值测量的均方根误差误差源误差（dB）信号源发射功率测量误差±标准喇叭的增益误差±载噪比测量误差±自由空间传播损耗测量误差±有限测试距离引起的测量误差极化失配引起的测量误差指向引起的测量误差G/T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。图2室外远场测量相控阵天线G/T值实际系统图已知测试频率为，标准增益喇叭增益为，使用测试仪器Agilent8563EC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，收发天线之间的距离为6米，测量的载波功率为。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Hz，则由式（5）计算待测天线的G/T值为：dB/K因有源相控阵天线极化为圆极化，应考虑极化损失。测得在最大方向圆极化轴比为，由式（6）计算得极化损失，则待测圆极化相控阵天线的G/T值为：dB/K该相控阵天线系统G/T的理论预算结果为，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值测量误差，其均方根误差小于或等于±。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.INTELSATSSOG210.Earthstationverificationtests[S].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.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.孟明霞,丁晓磊,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.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.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.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(1