利用天線方向圖測(cè)量實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)星的方法研究

王曉羽 張振權(quán) 侯繼棟

摘要：在衛(wèi)星通信中，傳統(tǒng)的對(duì)星方法是通過識(shí)別接收通信衛(wèi)星發(fā)射的高穩(wěn)定單載波信標(biāo)頻率幅度來控制地面天線轉(zhuǎn)動(dòng)，但對(duì)于尺寸較大的天線，其旁瓣幅度較大，使得通過單載波信標(biāo)頻率幅度識(shí)別方法難以達(dá)到精準(zhǔn)對(duì)星的要求。因此，為解決大尺寸天線不能精準(zhǔn)對(duì)星而影響通信質(zhì)量和效果的實(shí)際問題，本文通過調(diào)整衛(wèi)星天線方向圖參數(shù)、利用現(xiàn)有頻譜儀測(cè)量繪制方向圖等方法來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)星，以期在大尺寸天線對(duì)星過程中為相關(guān)工程技術(shù)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：方向圖；精準(zhǔn)；對(duì)星；研究

衛(wèi)星對(duì)星是指通過識(shí)別衛(wèi)星發(fā)送的信標(biāo)頻率來調(diào)整衛(wèi)星天線的方位角、俯仰角和極化角，使得天線與衛(wèi)星的指向逐步重合。這是地球站通信的前提和基礎(chǔ)[1]。根據(jù)天線的不同功能，天線對(duì)星的方式也不同。有只具有接收功能的衛(wèi)星天線對(duì)星，也有具有收發(fā)能力的天線自行對(duì)星，還有在衛(wèi)星公司地面業(yè)務(wù)運(yùn)行中心的指導(dǎo)下進(jìn)行對(duì)星。對(duì)于精準(zhǔn)對(duì)星，無(wú)論是通過接收通信衛(wèi)星的信標(biāo)還是發(fā)射單載波進(jìn)行對(duì)星，都需要根據(jù)衛(wèi)星的經(jīng)度和地面衛(wèi)星天線的經(jīng)緯度使用嚴(yán)格的公式進(jìn)行計(jì)算，得出衛(wèi)星天線的方位角和俯仰角。然后利用這兩個(gè)值來驅(qū)動(dòng)天線電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)星。對(duì)于尺寸較大的天線來說，由于天線的波瓣寬度較小，精準(zhǔn)對(duì)星更加困難。尤其是對(duì)于衛(wèi)星定向天線，方向圖和旁瓣等因素會(huì)嚴(yán)重影響衛(wèi)星通信的質(zhì)量。因此，通過測(cè)量天線方向圖來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)星成為衛(wèi)星通信中的重要工作。這種方法可以克服天線波瓣寬度較小帶來的難題，提高對(duì)星的準(zhǔn)確性和通信質(zhì)量。

一、衛(wèi)星天線增益和方向圖的概念

衛(wèi)星通信中，天線增益是衡量衛(wèi)星天線收發(fā)信號(hào)能力的重要指標(biāo)之一。天線增益可以通過測(cè)試天線的方向圖來確定，其計(jì)算公式為：天線增益=方向系數(shù)*天線效率。而方向圖則是指在給定距離上，天線場(chǎng)強(qiáng)的相對(duì)變化的幾何圖形。通常使用垂直方向圖和水平方向圖來表示。天線方向圖不僅能夠得出天線的性能參數(shù)，如方向系數(shù)和天線效率，還可以通過方向圖得出天線的輻射強(qiáng)度和波束寬度等其他參數(shù)。衛(wèi)星天線具有嚴(yán)格的方向性要求，即主瓣在精準(zhǔn)對(duì)星的同時(shí)，旁瓣的輻射不能影響到附近衛(wèi)星（見圖1）。天線的方向性表征了天線輻射強(qiáng)度與空間方向的相對(duì)關(guān)系，并與天線增益密切相關(guān)。通過對(duì)天線方向圖的測(cè)試和分析，評(píng)估衛(wèi)星天線的性能，并優(yōu)化天線設(shè)計(jì)以提高通信質(zhì)量。

（一）天線增益的概念

天線增益是指在相同輸入功率下，被測(cè)天線與無(wú)方向性天線在相同輻射強(qiáng)度值下所產(chǎn)生的功率密度之間的比值。天線增益可以分為發(fā)射增益和接收增益，它們表示了天線的輻射和接收能力。除了輻射功率，天線的尺寸和所使用的波長(zhǎng)也是選擇衛(wèi)星天線時(shí)的重要考慮因素。一般來說，提高天線增益的方法有兩種。第一種是減小垂直方向上的輻射波束，第二種是增大水平方向上的波束寬度和輻射性能。通過這些方式，可以進(jìn)一步提高天線的增益[2]。因此，天線的增益與天線的方向圖密切相關(guān)。從方向圖中，可以直觀地看到主瓣的窄度與天線的方向性強(qiáng)度相關(guān)。主瓣越窄，方向性越強(qiáng)，能量越集中，因此增益相對(duì)較高。通常，以具有相同輸入功率的全向天線或半波對(duì)稱振子天線在特定方向的輻射強(qiáng)度作為參考值來衡量天線增益，以全向天線為參考記作dBi，以半波對(duì)稱振子天線為參考記作dBd[3]。

（二）天線方向圖的參數(shù)

天線方向圖的參數(shù)一般包括主瓣、旁瓣電平、方向系數(shù)、3dB波瓣電平等。根據(jù)方向圖所顯示的花瓣?duì)顖D案，也可以稱之為波瓣圖。主瓣是指在左右兩側(cè)零輻射方向內(nèi)的波束形成的幾何圖形，與主瓣相反的波束叫做背瓣或者反瓣，除主瓣和背瓣以外的波束稱為旁瓣。（見圖2）。

瓣寬度和旁瓣電平的相對(duì)比值是衡量天線性能的關(guān)鍵指標(biāo)，特別是與主瓣距離最近且低于主瓣功率的一半電平之間的比值，是評(píng)估天線合格性的關(guān)鍵因素。常見情況是，衛(wèi)星通信天線的第一個(gè)旁瓣電平可能會(huì)被錯(cuò)誤地認(rèn)為是主瓣，而第二個(gè)和第三個(gè)旁瓣的電平值要低得多。衛(wèi)星天線方向圖的測(cè)量主要考慮3dB波瓣寬度圖案，通過計(jì)算測(cè)量天線最大輻射功率流密度與理想天線在相同距離處的輻射流密度的比值，可以計(jì)算出天線的方向系數(shù)。天線的前后比是指最大輻射方向的正向電平與其相反方向電平之間的比值[4]。所有這些方向圖參數(shù)都會(huì)對(duì)衛(wèi)星通信天線的對(duì)星過程產(chǎn)生影響。

（三）天線方向圖的測(cè)量繪制

一個(gè)完整的天線方向圖應(yīng)該是一個(gè)與場(chǎng)強(qiáng)振幅、相位和極化有關(guān)的三維空間圖。為了繪制這樣的三維空間圖，理論上需要在大范圍的地球球面上測(cè)量輻射強(qiáng)度的大小，并以天線相位為中心不斷進(jìn)行測(cè)量。然而，在實(shí)際工作中，特別是用于精確對(duì)星時(shí)，通常只考慮場(chǎng)強(qiáng)振幅方向圖即可。通常有兩種方法。一種是極坐標(biāo)方法，另一種是直角坐標(biāo)方法。極坐標(biāo)方向圖具有直觀、簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，整個(gè)平面對(duì)應(yīng)360度，這樣可以清楚地展示天線輻射場(chǎng)強(qiáng)的空間分布特性，如圖2所示。天線方向圖的測(cè)量繪制圖形一定會(huì)反映出衛(wèi)星信號(hào)的指向，并為對(duì)星提供新的方法和方式。極坐標(biāo)方向圖的繪制可以幫助我們理解天線的輻射特性和性能。通過分析和解讀方向圖，可以選擇合適的天線對(duì)星方法，優(yōu)化天線設(shè)計(jì)，并確保衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

二、利用方向圖測(cè)量對(duì)星的基本步驟和方法

天線方向圖的測(cè)量是衛(wèi)星通信天線性能評(píng)估的重要內(nèi)容，它能夠反映天線的性能優(yōu)劣。衛(wèi)星天線的方向圖通常包括接收方位方向圖、接收俯仰方向圖、發(fā)射方位方向圖和發(fā)射俯仰方向圖這四個(gè)圖形。方向圖一般由一個(gè)主瓣和左右對(duì)稱的旁瓣組成，形成一個(gè)規(guī)則的圖案。如果天線的方向圖不規(guī)則或主瓣與第一旁瓣的差值小于14dB，則表示天線不合格[5]。

對(duì)于接收方向圖的測(cè)量，通常利用衛(wèi)星信標(biāo)的接收頻率作為頻譜儀的中心頻率。只需通過轉(zhuǎn)動(dòng)天線的方位或俯仰，就可以測(cè)量出天線的接收方向圖。這種方法可以幫助我們了解天線在不同方向上的接收性能，并評(píng)估天線的指向性。

（一）天線接收方向圖的測(cè)量

為了能測(cè)量一個(gè)在頻譜儀上居中的方向圖，一般需要將頻譜儀的掃描時(shí)間設(shè)置為和天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間相一致。

①根據(jù)需要對(duì)星的信標(biāo)頻率，將天線對(duì)準(zhǔn)直到接收到信標(biāo)頻率最大，記錄此時(shí)的方位值M，然后在此方位值的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)動(dòng)天線增加2度，即M+2度天線停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

②從當(dāng)前M+2度基礎(chǔ)上向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)天線，同時(shí)利用秒表計(jì)時(shí)開始，當(dāng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)到M-2度后停止，同時(shí)停止計(jì)時(shí)，記錄此時(shí)天線轉(zhuǎn)動(dòng)所用的時(shí)間t秒。

③從天線低噪聲放大器輸出端連接Ku頻段的頻譜儀，設(shè)置中心頻率為衛(wèi)星信標(biāo)頻率（如12251MHz），帶寬設(shè)置為0Hz、VBW設(shè)置為10Hz、RBW設(shè)置為30KHz、掃描時(shí)間設(shè)置為上面的天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間t秒。

④從當(dāng)前天線位置M-2開始，反方向轉(zhuǎn)動(dòng)天線的同時(shí)按下頻譜儀的掃描開始，（BLANLK）觀察頻譜儀上的圖形，就可以看出完整的天線方位方向圖的掃描圖，直到天線轉(zhuǎn)動(dòng)到M+2的位置，停止天線轉(zhuǎn)動(dòng)。

⑤保存頻譜儀上的方向圖，利用頻譜儀上的MKR、TRACE鍵，可以測(cè)量出主瓣和旁瓣的差值是否符合指標(biāo)要求。測(cè)量完畢后將天線轉(zhuǎn)動(dòng)到M角度即可。

（二）天線發(fā)射方向圖的測(cè)量

對(duì)于天線的發(fā)送方向圖的測(cè)量，通常需要借助另一個(gè)陪測(cè)站來進(jìn)行。從待測(cè)站發(fā)送單載波信號(hào)，到陪測(cè)站接收到該單載波信號(hào)，再到調(diào)整天線到接收該單載波最大值，剩余步驟則和接收天線方向圖測(cè)量一致。需要注意的是，在整個(gè)測(cè)量過程中，待測(cè)站和測(cè)向站之間的通信穩(wěn)定和同步是非常重要的，如此才能確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

三、利用方向圖測(cè)量進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)星

對(duì)于固定站大尺寸天線，由于其波瓣寬度較小，第一旁瓣較高。將天線對(duì)準(zhǔn)第一旁瓣時(shí)，很容易通過提高功率放大器的方式來實(shí)現(xiàn)通信，但這可能會(huì)導(dǎo)致功率放大器過載，對(duì)方無(wú)法接收到信號(hào)等問題。因此，需要通過天線方向圖實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)星。通常情況下，如果天線精準(zhǔn)對(duì)星，通過轉(zhuǎn)動(dòng)天線測(cè)量得到的方向圖將是一個(gè)符合指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)方向圖。然而，如果衛(wèi)星沒有精準(zhǔn)對(duì)星，或者將天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的旁瓣，那么測(cè)量得到的天線方向圖將不符合指標(biāo)（見圖4）。因此，可以根據(jù)測(cè)量得到的方向圖準(zhǔn)確了解方位或俯仰存在偏移的位置。從圖4可以看出，在中間位置應(yīng)該是方向圖的最大值，而此時(shí)衛(wèi)星天線卻對(duì)準(zhǔn)了旁瓣。通過記錄方向圖中間位置的方位值，可以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。通常經(jīng)過2到3次調(diào)整，就可以實(shí)現(xiàn)方位或俯仰的精準(zhǔn)對(duì)星。如果調(diào)整某一個(gè)方向的參數(shù)，但測(cè)量得到的信號(hào)值仍然較小，那么天線一定沒有精準(zhǔn)對(duì)星。在這種情況下，天線的方位和俯仰都沒有對(duì)準(zhǔn)。在兩個(gè)方向都沒有對(duì)準(zhǔn)的情況下，顯然是無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)星的。因此，通過測(cè)量方向圖來確定哪個(gè)方向沒有對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星是很重要的。通過掃描和測(cè)量方向圖，可以記住主瓣經(jīng)過的位置，從而首先確定一個(gè)參數(shù)的最佳位置，然后再調(diào)整另一個(gè)參數(shù)的位置，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)星（見圖5）。

圖4中，在進(jìn)行一圈的天線轉(zhuǎn)動(dòng)后，發(fā)現(xiàn)位于方位值160.24時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度最大。因此，將天線轉(zhuǎn)回到這個(gè)最大值的位置。然后在這個(gè)最大值的位置基礎(chǔ)上進(jìn)行方位的微調(diào)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度提高了近10 dB，而信標(biāo)值變?yōu)?51，此時(shí)記下俯仰的值。然后再做一次方位的方向圖，結(jié)果顯示方位方向圖符合預(yù)期。由此說明天線已經(jīng)精準(zhǔn)對(duì)星。

四、結(jié)束語(yǔ)

為了解決固定站大尺寸天線對(duì)準(zhǔn)旁瓣而影響設(shè)備性能的問題，可以采用人工或電動(dòng)方式迅速完成對(duì)星操作。然而，由于尺寸較大的固定站天線的半功率寬度較?。▋H有1～2度），且第一旁瓣的幅度較高，同時(shí)受到方位和俯仰兩個(gè)參數(shù)的影響，天線很容易對(duì)準(zhǔn)在旁瓣上，從而影響設(shè)備的開通效能。尤其是當(dāng)天線對(duì)準(zhǔn)第一旁瓣時(shí)，可能導(dǎo)致設(shè)備之間的通信質(zhì)量變差。為了彌補(bǔ)這個(gè)問題，往往需要不斷提高雙方的功率值，這可能導(dǎo)致過飽和等問題的出現(xiàn)。為了有效避免類似問題，并實(shí)現(xiàn)大尺寸天線的精準(zhǔn)對(duì)星，本文通過研究和分析衛(wèi)星通信天線的方向圖參數(shù)、測(cè)量和繪制等情況，結(jié)合實(shí)際工作中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了衛(wèi)星天線方向圖測(cè)量的步驟和方法。同時(shí)，還提供了一種通過天線方向圖測(cè)量實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)星的方法。這些方法在實(shí)際工作中具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

作者單位：王曉羽 張振權(quán) 侯繼棟 69036部隊(duì)

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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王曉羽（1991.08-），女，漢族，河南永城，本科，助理工程師，研究方向：衛(wèi)星通信；

張振權(quán)（1976.12-），男，漢族，陜西西安，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：衛(wèi)星通信；

侯繼棟（1986.10-），男，漢族，甘肅平?jīng)?，大專，技術(shù)員，研究方向：無(wú)線通信。