地面站系統(tǒng)G/T值測試方法綜述

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

地面站系統(tǒng)G/T值定義為地面站天線接收增益與系統(tǒng)噪聲溫度之比，也稱為地面站系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)。G/T值或系統(tǒng)噪聲溫度是射電天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)[1]、深空探測系統(tǒng)[2]和衛(wèi)星通信系統(tǒng)[3]等重要性能指標(biāo)之一，其性能好壞直接影響系統(tǒng)的靈敏度。因此，研究地面站系統(tǒng)G/T值測量方法及其特點(diǎn)，不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，還具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

目前傳統(tǒng)的G/T值測量方法有間接法[4]和直接法[5]。直接法又可細(xì)分為載噪比法和射電天文法[6]。所謂間接法是分別測量出地面站天線接收增益和系統(tǒng)噪聲溫度，從而計(jì)算系統(tǒng)G/T值的方法；載噪比法是直接測量地面站系統(tǒng)接收載噪比，從而確定G/T值的方法；射電天文法是測量地面站天線指向射電源與偏離射電源的噪聲功率之比的Y因子，從而計(jì)算G/T值的方法。近年來，在用衛(wèi)星載噪比法測量地面站系統(tǒng)G/T值時(shí)，由于衛(wèi)星下行EIRP或信標(biāo)EIRP不易精確測量，從而限制了載噪比法測量G/T值的方法應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，提出了比較法測量地面站系統(tǒng)G/T的方法[7]。該方法是用待測地面站系統(tǒng)G/T值與標(biāo)準(zhǔn)地面站天線系統(tǒng)G/T進(jìn)行比較，從而確定地面站系統(tǒng)G/T值的方法。本文系統(tǒng)總結(jié)了G/T值測量的方法，闡述了不同測試方法優(yōu)點(diǎn)及其局限性，為地面站系統(tǒng)工程師選擇最佳G/T值測量方法提供科學(xué)的指導(dǎo)和參考。

1 間接法測量G/T值

間接法測量地面站系統(tǒng)G/T值是一種非常經(jīng)典的方法。該方法測量G/T值的基本原理是：通過分別測量地面站系統(tǒng)天線接收增益GR和系統(tǒng)噪聲溫度TSYS，從而計(jì)算地面站系統(tǒng)G/T值的方法。可表示為：

(1)

目前地面站天線接收增益的測量方法有：射電源法[8]、比較法(可細(xì)分為室外遠(yuǎn)場增益比較法[9]、近場增益比較法[10]和衛(wèi)星源比較法[11]等)、方向圖積分法[12]、波束寬度法[13]、三天線法[14]、鏈路計(jì)算法[15]和單天線法(或稱鏡像法)[16]等。

對于給定的待測天線，選擇一個(gè)合適方法測量天線增益非常重要。例如對于大口徑射電天文天線和深空探測天線，非常適合用射電源法測量天線增益；又如新研制毫米波喇叭饋源，待測天線只有一個(gè)，適合利用鏡像法測量天線增益；再如衛(wèi)星通信地面站天線，其增益測量常采用波束寬度法或方向圖積分法等。一般情況下，可依據(jù)待測天線形式、天線的電尺寸、工作頻率以及現(xiàn)有測試場地條件等，選擇合適的增益測量方法。

地面站系統(tǒng)噪聲溫度常采用經(jīng)典的Y因子法進(jìn)行測量[17]，Y因子法測量地面站系統(tǒng)噪聲溫度的原理圖如圖1所示。

圖1 地面站系統(tǒng)噪聲溫度測量的原理圖Fig.1 Principle block diagram of the earth station system temperature measurement

如圖1所示，當(dāng)開關(guān)依次接常溫負(fù)載和待測地面站天線時(shí)，則頻譜分析儀測量的噪聲功率之比為[18]：

(2)

式中，k為玻爾茲曼常數(shù)，等于1.38×10-23J/K；T0為常溫負(fù)載噪聲溫度(K)；TLNA為低噪聲放大器的噪聲溫度(K)；GLNA為低噪聲放大器增益；B為頻譜儀的噪聲帶寬(Hz)；TSYS為地面站系統(tǒng)噪聲溫度(K)。

由式(2)求出地面站的系統(tǒng)噪聲溫度為：

(3)

由式(3)可見：只要分別測量出地面站系統(tǒng)天線接收增益和系統(tǒng)噪聲溫度，利用式(1)可計(jì)算出地面站系統(tǒng)G/T的大小；該方法需要單獨(dú)測量天線接收增益和系統(tǒng)噪聲溫度，其測試設(shè)備和系統(tǒng)相對來說比較復(fù)雜，測量精度主要取決于天線接收增益測量精度和系統(tǒng)噪聲溫度測量精度。天線增益測量精度取決于所采用的增益測量方法，例如比較法測量天線增益精度可達(dá)到0.26 dB[19]，假定系統(tǒng)噪聲溫度測量相對誤差約為5%，則地面站系統(tǒng)G/T值測量的均方根誤差為0.34 dB。

由間接法測量地面站系統(tǒng)G/T原理可知：任意電尺寸和任意工作頻段的天線與電子設(shè)備可分離的無源天線系統(tǒng)均可采用間接法測量地面站系統(tǒng)的G/T值，但是對于地面站系統(tǒng)的低噪聲放大器或接收機(jī)系統(tǒng)與天線饋源網(wǎng)絡(luò)集成在一起的有源天線，地面站天線與電子設(shè)備不可分離，無法采用間接法進(jìn)行地面站系統(tǒng)G/T值測量。常見的系統(tǒng)有：一體化衛(wèi)星電視天線系統(tǒng)、有源天線或有源相控陣天線系統(tǒng)以及數(shù)字波束天線系統(tǒng)等。

2 載噪比法測量G/T值

載噪比法測量地面站系統(tǒng)G/T值是通過測量地面站系統(tǒng)接收源天線或信標(biāo)天線的歸一化載噪比，從而直接計(jì)算出地面站系統(tǒng)G/T值的方法。該方法最早在衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)G/T值測量中獲得了應(yīng)用，即通過測量衛(wèi)星通信地面站接收衛(wèi)星下行信號(hào)的歸一化載噪比，利用式(4)計(jì)算地面站系統(tǒng)G/T值[20]：

(4)

式中，LP為衛(wèi)星下行鏈路損耗總和，包括自由空間傳播衰減、大氣衰減、極化損失和指向損耗(dB)；C/N0為測量的衛(wèi)星下行載波的歸一化載噪比,注意測量歸一化噪聲功率時(shí)，地面站天線的方位應(yīng)偏離衛(wèi)星方向，確保地面站天線接收不到衛(wèi)星下行信號(hào) (dB/Hz)；EIRPsat為衛(wèi)星下行有效全向輻射功率(dBW)；AS為地理增益修正因子(dB)。

利用衛(wèi)星載噪比法測量地面站系統(tǒng)G/T值的顯著特點(diǎn)為[21]：滿足天線遠(yuǎn)場測試距離條件；測量的G/T值為地面站工作狀態(tài)條件下的G/T值；可使地面建筑物、環(huán)境等引起的多重反射對測量結(jié)果的影響達(dá)到最小。該方法的缺點(diǎn)是測量頻段受衛(wèi)星通信頻段的限制。在此基礎(chǔ)上，將衛(wèi)星載噪比法進(jìn)行推廣，應(yīng)用于室外常規(guī)遠(yuǎn)場載噪比法測量地面站系統(tǒng)G/T值。

室外遠(yuǎn)場載噪比法測量地面站系統(tǒng)G/T值的原理圖如圖2所示。信標(biāo)天線和待測天線之間應(yīng)滿足遠(yuǎn)場測試距離條件，即R≥2D2/λ，R為信標(biāo)天線與待測地面站天線之間的距離，D為待測天線最大尺寸，λ為工作波長。

圖2 遠(yuǎn)場載噪比法測量地面站系統(tǒng)G/T值原理圖Fig.2 Principle block diagram of measuring the earth station system G/T by far field carrier to noise ratio method

遠(yuǎn)場載噪比法測量地面站系統(tǒng)G/T值的原理方法為：按照圖2建立測試系統(tǒng)，首先將信標(biāo)天線與待測地面站天線對準(zhǔn)，且信標(biāo)天線極化與地面站天線極化匹配，此時(shí)頻譜分析儀測量的信號(hào)電平最大；然后合理調(diào)整頻譜分析儀分辨帶寬、視頻帶寬和掃描時(shí)間等狀態(tài)參數(shù)，用頻譜分析儀的碼刻功能測量載波信號(hào)電平的大小，用C表示；再將待測地面站天線方位偏離信標(biāo)天線，直到頻譜分析儀測量不到信標(biāo)天線的發(fā)射信號(hào)為止，或直接關(guān)閉信標(biāo)天線的射頻信號(hào)輸出，天線的俯仰旋轉(zhuǎn)到G/T值規(guī)定要求的仰角上，利用頻譜分析儀的碼刻噪聲功能測量歸一化噪聲功率N0的大小，則測量的歸一化載噪比為：

(5)

由測量的歸一化載噪比，利用式(6)計(jì)算地面站系統(tǒng)G/T值。

(6)

式中，LP為自由空間傳播損耗(dB)，Pt為信標(biāo)天線的發(fā)射凈功率(dBW)，GS為信標(biāo)天線增益(dBi)。

遠(yuǎn)場載噪比法測量地面站系統(tǒng)G/T值的顯著特點(diǎn)是測量不受頻率限制，且可測量任意電尺寸的天線(對于大電尺寸天線，很難滿足遠(yuǎn)場測試距離條件)；該方法的缺點(diǎn)是地面站反射以及多徑效應(yīng)影響測量結(jié)果。

載噪比法測量地面站系統(tǒng)G/T值，不需要單獨(dú)測量地面站天線接收增益和系統(tǒng)噪聲溫度，因此該方法不僅適合無源天線系統(tǒng)G/T值測量，也適合有源天線系統(tǒng)G/T值測量。

衛(wèi)星載噪比法非常適合衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)G/T值測量，但其測量精度一般，主要是衛(wèi)星信號(hào)EIRP的不穩(wěn)定引起的測量誤差，目前一般衛(wèi)星系統(tǒng)的EIRP穩(wěn)定度為0.50 dB，則用衛(wèi)星載噪比測量地面站系統(tǒng)G/T值精度可達(dá)到0.55 dB[22]。

遠(yuǎn)場載噪比直接法測量地面站系統(tǒng)G/T值的主要誤差有：信號(hào)源發(fā)射功率的測量誤差、信標(biāo)天線的增益校準(zhǔn)誤差、載噪比測量誤差、路徑損耗誤差、極化損失誤差、天線指向損耗誤差、地面多徑反射和有限測試距離引起的測量誤差等，其均方根測量誤差為0.42 dB[23]。

3 射電源法測量G/T值

眾所周知，許多天體，如太陽、月亮、標(biāo)準(zhǔn)離散射電源(仙后座A、金牛座A和天鵝座A等)、行星(木星、金星和火星等)、類星體(3C48,3C147,3C273等)和銀河星系(3C84,3C218,3C353)等除發(fā)射可見光外，還發(fā)射不同波長的電磁波，其波長范圍從1 mm～20 m。可見射電源是一種寬帶微波噪聲源，利用射電源的噪聲可以測量天線特性。但由于各射電源的輻射強(qiáng)度和角徑不盡相同，因此必須選擇合適的射電源。選擇射電源測量地面站系統(tǒng)G/T值的首要條件是：地面站天線能夠看得見射電源，且在天線轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)，否則地面站天線無法捕捉到射電源信號(hào)；其次射電源位置應(yīng)精確知道，角尺寸很小，滿足點(diǎn)源條件(射電源的角直徑與天線半功率波束寬度比小于0.2),且射電源的流量密度比較穩(wěn)定，輻射強(qiáng)度合適。常用于地面站G/T測量的射電源有：標(biāo)準(zhǔn)宇宙源(如仙后座A、金牛座A和天鵝座A等)、月亮、太陽和行星等[24]。文獻(xiàn)[25]介紹了太陽源測量地面站系統(tǒng)G/T值的方法；文獻(xiàn)[26]詳細(xì)介紹了標(biāo)準(zhǔn)宇宙源測量G/T值的方法。

射電源法測量地面站系統(tǒng)G/T值的原理圖如圖3所示[27]。

利用射電源法測量地面站系統(tǒng)G/T值的原理方法是：驅(qū)動(dòng)地面站天線方位和俯仰，使地面站天線指向射電源，用頻譜分析儀測量其噪聲功率的大小；然后驅(qū)動(dòng)地面站天線偏離射電源，指向射電源附近的冷空，同理測量噪聲功率的大小。計(jì)算二者的差值得到用分貝表示的Y因子大小，求出測量的Y因子的真值，由式(7)計(jì)算地面站G/T值[28]:

(7)

圖3 射電源法測量地面站系統(tǒng)G/T值原理圖Fig.3 Principle block diagram of measuring the earth station system G/T by radio source method

射電源法不僅適合無源天線系統(tǒng)G/T值測量，也適合有源天線系統(tǒng)G/T值測量。該方法測量地面站系統(tǒng)G/T值的優(yōu)點(diǎn)是：滿足遠(yuǎn)場測試距離條件；可測量不同仰角的G/T值；測試頻段不受限制；測量結(jié)果不受環(huán)境的影響。其缺點(diǎn)是：不能測量地面站系統(tǒng)G/T值的極化特性；射電源信號(hào)很微弱，測量的天線口徑受限；不適用手動(dòng)天線或天線驅(qū)動(dòng)受限制的天線；對小口徑地球站天線而言，射電源法測量精度不高，但是隨著現(xiàn)代測量設(shè)備和測量技術(shù)的發(fā)展，可精確測量出大于0.2 dB的Y因子，則常用的標(biāo)準(zhǔn)射電源可測量的卡塞格倫天線的最小口徑如表1所示[6]。

表1 標(biāo)準(zhǔn)射電源可測量的卡塞格倫天線的最小口徑Tab.1 Minimum aperture for measuring Cassegrain antenna using standard radio source

由式(7)可知，射電源直接法測量地面站系統(tǒng)G/T值的主要誤差源：射電源通量密度誤差、大氣衰減誤差、波束展寬修正因子誤差和Y因子誤差。依據(jù)誤差傳遞公式，射電源法測量地面站系統(tǒng)G/T值的相對誤差為：

(8)

由式(8)可知：G/T值測量誤差不僅與Y因子測量誤差有關(guān)，而且與Y因子大小有關(guān)。當(dāng)Y1(即Y=0 dB)，Y/(Y-1)，測量誤差劇增。如果Y≤2 dB，由此產(chǎn)生的測量誤差迅速下降，因此不宜用通量密度太小的射電源測量地面站系統(tǒng)G/T值。當(dāng)測量的Y因子大于或等于4 dB時(shí)，射電源法測量地面站系統(tǒng)G/T值的精度優(yōu)于0.20 dB[29]。

4 比較法測量G/T值

比較法測量地面站系統(tǒng)G/T值的方法是從衛(wèi)星載噪比直接法發(fā)展而來的一種新方法。該方法不需要知道衛(wèi)星信號(hào)EIRP，其測量的基本原理是：待測站系統(tǒng)G/T值同標(biāo)準(zhǔn)地面站系統(tǒng)G/T進(jìn)行比較，從而確定待測地球站系統(tǒng)G/T值的方法。衛(wèi)星比較法測量地面站系統(tǒng)G/T值的原理圖如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星比較法測量地面站系統(tǒng)G/T值的原理圖Fig.4 Principle block diagram of measuring the earth station system G/T by satellite comparative method

如圖4所示，利用衛(wèi)星比較法測量地面站系統(tǒng)G/T值的原理公式為[30]：

(9)

式中，(G/T)S為標(biāo)準(zhǔn)地面站系統(tǒng)G/T值，單位為dB/K；(C/N0)X為待測地面站天線接收衛(wèi)星信號(hào)的歸一化載噪比，單位為dB/Hz；(C/N0)S為標(biāo)準(zhǔn)地面站天線接收衛(wèi)星信號(hào)的歸一化載噪比，單位為dB/Hz。

式(9)是在待測地面站天線和標(biāo)準(zhǔn)地面站天線極化均與衛(wèi)星極化匹配條件下，推導(dǎo)出的測量原理公式。標(biāo)準(zhǔn)地面站天線一般為線極化，當(dāng)待測地面站天線為圓極化，而衛(wèi)星為線極化；或者待測地面站天線和衛(wèi)星均為圓極化，應(yīng)考慮極化損失對測量結(jié)果的影響。

該方法可推廣到室外遠(yuǎn)場法。其顯著特點(diǎn)是：簡單方便，不需要知道衛(wèi)星信號(hào)或遠(yuǎn)場信標(biāo)信號(hào)的EIRP、自由空間損耗等參數(shù)，只要測量出歸一化載噪比，即可確定地面站系統(tǒng)G/T。該方法不僅適合無源天線系統(tǒng)G/T值測量，也適合有源天線系統(tǒng)G/T值測量，特別適合電小尺寸的有源天線系統(tǒng)G/T值測量。例如非衛(wèi)星工作頻段的相控陣天線系統(tǒng)，其接收機(jī)與天線單元集成在一起，且觀測不到射電源微弱信號(hào)，則比較法是測量其系統(tǒng)G/T值的最佳方法。

比較法測量地面站系統(tǒng)G/T值的主要誤差源有：標(biāo)準(zhǔn)地面站系統(tǒng)G/T值的校準(zhǔn)誤差和歸一化載噪比測量誤差。待測地面站天線通常電尺寸較大，接收衛(wèi)星信號(hào)載噪比很大，其測量誤差較小；而標(biāo)準(zhǔn)地面站天線的電尺寸較小，如實(shí)際工程測量中，常用高增益標(biāo)準(zhǔn)喇叭，作為標(biāo)準(zhǔn)地面站天線，其接收的衛(wèi)星信號(hào)載噪比很小，歸一化載噪比測量誤差較大，通常達(dá)到0.50 dB。假設(shè)待測地面站接收衛(wèi)星信號(hào)歸一化載噪比測量誤差為0.20 dB，標(biāo)準(zhǔn)地面站系統(tǒng)G/T值校準(zhǔn)誤差0.20 dB，則衛(wèi)星比較法測量地面站系統(tǒng)G/T值的均方根誤差為0.57 dB。若采用常規(guī)遠(yuǎn)場比較法測量地面站系統(tǒng)G/T值，可有效提高標(biāo)準(zhǔn)地面站系統(tǒng)接收載噪比，從而改善測量精度。

5 G/T值測量方法的比較

前面系統(tǒng)討論了地面站系統(tǒng)G/T值測量幾種方法，即間接法、載噪比法、射電源法和比較法。系統(tǒng)論述了這些方法的測量原理、方法及其特點(diǎn)。為地面站系統(tǒng)G/T值測量提供參考。對于給定的待測地面站系統(tǒng)，依據(jù)其系統(tǒng)工作頻段、天線口徑大小、是否有源、測試場地條件及測試儀表等，進(jìn)行綜合考慮，選擇合適的G/T值測量方法。表2給出了不同G/T值測量方法的比較。

表2 地面站系統(tǒng)G/T值測量方法的比較Tab.2 Comparison of the earth station system G/T measurement methods

6 結(jié)束語

G/T值是地面站系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)之一，其性能好壞直接影響系統(tǒng)的靈敏度。本文系統(tǒng)介紹了地面站系統(tǒng)G/T值的測量原理方法，即增益噪聲溫度法、載噪比法、射電源法和比較法，簡述了各種方法的測量原理，分析了各種G/T值測試方法特點(diǎn)及其局限性，對其測量誤差進(jìn)行了簡單論述。最后對各種方法的測量原理、測試系統(tǒng)復(fù)雜程度、測試精度、適合測試頻段、測試狀態(tài)、適合測量對象、測試環(huán)境影響和測試的局限性等進(jìn)行了綜合比較，指出了依據(jù)地面站系統(tǒng)的工作頻段、天線口徑大小、天線是否有源、測試場地條件及測試儀表等，進(jìn)行綜合考慮，選擇合適的G/T值測量方法。本文為地面站系統(tǒng)工程師選擇最佳G/T值測量方法提供科學(xué)的指導(dǎo)和參考。