周 平，王文帥，肖 鑫，林 輝，蔡鴻昀

（1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心深圳站，深圳 518120；2.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心北京站，北京 100037）

電波衛(wèi)士

深圳監(jiān)測(cè)站衛(wèi)星鏈路校準(zhǔn)方法及誤差分析

周 平1，王文帥2，肖 鑫1，林 輝1，蔡鴻昀1

（1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心深圳站，深圳 518120；2.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心北京站，北京 100037）

衛(wèi)星鏈路校準(zhǔn)是衛(wèi)星監(jiān)測(cè)設(shè)施維護(hù)的重要環(huán)節(jié)，鏈路測(cè)量的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到測(cè)量星上信號(hào)EIRP值及PFD值的置信度。本文以深圳站衛(wèi)星監(jiān)測(cè)鏈路校準(zhǔn)測(cè)量為例，詳細(xì)分析了鏈路各部分誤差來(lái)源及誤差大小，然后針對(duì)性地提出了減小測(cè)量誤差的方法。

衛(wèi)星；鏈路校準(zhǔn)；鏈路誤差

1 引言

衛(wèi)星鏈路校準(zhǔn)就是精確測(cè)量從衛(wèi)星天線口面至頻譜儀接收機(jī)輸入口的整個(gè)傳輸鏈路的衰減值（或者增益值），只有掌握了傳輸鏈路準(zhǔn)確的衰減或增益值，衛(wèi)星信號(hào)分析系統(tǒng)才能從頻譜儀中讀出的數(shù)據(jù)來(lái)反推星上信號(hào)的EIRP值及PFD值。

2 衛(wèi)星鏈路的組成

衛(wèi)星監(jiān)測(cè)鏈路一般是指從監(jiān)測(cè)天線口面至接收機(jī)輸入口之間的傳輸鏈路，主要由以下幾個(gè)部件組成：天線、饋源網(wǎng)絡(luò)、饋源網(wǎng)絡(luò)至LNA的剛性波導(dǎo)、低噪放（LNA）、橢圓波導(dǎo)、矩陣開(kāi)關(guān)、同軸電纜等。

根據(jù)天線及傳輸鏈路的現(xiàn)場(chǎng)安裝情況（以國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心深圳監(jiān)測(cè)站為例），結(jié)合測(cè)試的可行性及可靠性，將衛(wèi)星鏈路的校準(zhǔn)測(cè)量分成三個(gè)模塊，分別是：天線增益的校準(zhǔn)測(cè)量，饋源波導(dǎo)的校準(zhǔn)測(cè)量，LNA至頻譜儀輸入口之間傳輸鏈路的校準(zhǔn)測(cè)量。

3 天線增益測(cè)量

天線增益的測(cè)量常用方法有：射電源法、信標(biāo)塔法、衛(wèi)星源法、波束寬度法等。波束寬度法由于其操作的便利性，且相比于其他測(cè)量增益的方法，不需要添置其他的儀器設(shè)備。更多的測(cè)量?jī)x器的使用將帶來(lái)更多的不確定因素，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的測(cè)量誤差更大[3]，而波束寬度法利用現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)設(shè)備和衛(wèi)星信標(biāo)來(lái)畫(huà)出天線主瓣的方向圖，且波束寬度的是個(gè)相對(duì)值（測(cè)量值的差值），而非測(cè)量的絕對(duì)值（測(cè)量值），相對(duì)值可以有效消除因?yàn)楸O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的固有特性帶來(lái)的測(cè)量值的偏差[2]，也是減少測(cè)量誤差的有效手段之一。

波束寬度法原理是通過(guò)測(cè)量天線主瓣方向圖的3dB波束寬度、10dB波束寬度、天線表面精度和饋源插入損耗，從而計(jì)算天線增益的方法。國(guó)際衛(wèi)星組織的SSOG 210標(biāo)準(zhǔn)中，通過(guò)對(duì)地面站天線進(jìn)行理論研究和實(shí)驗(yàn)分析，給出了用天線波束寬度測(cè)量天線增益的原理公式：

式中，AZ3，EL3分別表示方位方向圖和俯仰方向圖的3dB波束寬度；AZ10，EL10分別表示方位方向圖和俯仰方向圖的3dB波束寬度；Floss表示饋源插入損耗，該值一般是在天線出廠時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得的，在C頻段饋源插入損耗為0.02～0.03d B，在Ku頻段約為0.3dB；R loss表示天線表面公差引起的增益損耗，其增益損耗詳見(jiàn)公式（3）：

深圳站13m天線的單塊天線表面公差為0.4mm，天線塊組裝后因安裝產(chǎn)生的公差為0.8mm，整個(gè)天線的表面公差為0.8mm，代入公式（3）可知，在C頻段其公差損耗約為0.08dB，在標(biāo)準(zhǔn)Ku頻段其公差損耗約為0.68dB。

3.1 天線方向圖的測(cè)量

步驟如下：

⊙ 利用衛(wèi)星信標(biāo)，驅(qū)動(dòng)待測(cè)天線的方位和俯仰，使待測(cè)天線與衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)，并調(diào)整待測(cè)天線極化與衛(wèi)星極化匹配，此時(shí)頻譜儀接收的衛(wèi)星信標(biāo)電平最大。

⊙ 將頻譜span設(shè)置為零（頻譜儀測(cè)方向圖的原理是：當(dāng)頻譜儀的掃描寬度置零時(shí)，頻譜儀就變成了時(shí)域測(cè)試接收機(jī)），合理設(shè)置掃描時(shí)間。

⊙ 按照一定的角度轉(zhuǎn)動(dòng)天線，頻譜即可顯示天線在一定角度內(nèi)的方向圖。

⊙ 保存方向圖。

⊙ 多次測(cè)量，計(jì)算3dB寬度與10dB寬度的平均值。

3.2 波束寬度測(cè)量誤差來(lái)源

波束寬度的誤差來(lái)源如下：

（1）角度測(cè)量誤差。當(dāng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)是非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的主瓣方向圖變形，導(dǎo)致測(cè)量的波束寬度出現(xiàn)偏差，深圳站天線是齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的，認(rèn)為其是基本勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此此項(xiàng)誤差可以忽略不計(jì)。

（2）頻譜儀采樣誤差。在頻譜儀一個(gè)窗口中的方向圖實(shí)際上并不是連續(xù)的，它是由離散的601個(gè)點(diǎn)組成（以4440A頻譜儀為例），所以操作者在取3dB點(diǎn)和10dB點(diǎn)時(shí)會(huì)存在一個(gè)類(lèi)似模擬信號(hào)數(shù)字化時(shí)的取樣誤差。該誤差可以通過(guò)減少角度的掃描寬度，以增加頻譜儀對(duì)主瓣的采樣點(diǎn)數(shù)，減少取樣誤差，如圖1、圖2所示。

圖1 頻譜儀寬角度采樣

圖2 頻譜儀窄角度采樣

（3）測(cè)量帶來(lái)的隨機(jī)誤差。通過(guò)多次測(cè)量求平均值可減少該誤差。

3.3 天線增益測(cè)量結(jié)果

對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后可得13米C頻段天線和13米Ku頻段天線的增益表達(dá)式詳見(jiàn)公式（4）、公式（5）：

3.4 天線增益測(cè)量誤差評(píng)估

利用波束寬度法測(cè)量天線增益的主要誤差來(lái)源有：波束寬度測(cè)量誤差引起的G3和G10誤差，δG3與δG10；天線饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗引起的測(cè)量誤差δFloss；反射面精度測(cè)量誤差引起的增益測(cè)量誤差δRloss。天線系統(tǒng)總的均方根誤差為各部分獨(dú)立誤差源的均方根，如公式6所示：

各部分獨(dú)立誤差大小及總的均方根誤差大小如表1所示[1]。

表1 天線測(cè)量誤差源及總誤差

4 鏈路傳輸增益測(cè)量

傳輸鏈路的校準(zhǔn)測(cè)量主要是指LNA至頻譜儀輸入口之間傳輸鏈路的校準(zhǔn)測(cè)量。在這段鏈路上存在多個(gè)微波器件、傳輸波導(dǎo)及同軸線，各器件的接口處由于阻抗不完全匹配，以及接口轉(zhuǎn)換頭等本身會(huì)消耗能量等，會(huì)導(dǎo)致對(duì)各個(gè)器件及傳輸線纜的增益之和不會(huì)等于各部分串接在一起時(shí)的增益值，將整個(gè)鏈路作為一個(gè)整體黑盒來(lái)測(cè)量是更科學(xué)的辦法（見(jiàn)圖3）。

圖3 傳輸鏈路測(cè)試框圖

測(cè)試步驟如下：

⊙ 將被測(cè)鏈路天線對(duì)準(zhǔn)冷空。將信號(hào)源連接波導(dǎo)傳輸鏈路，將信號(hào)從LNA耦合端口（該耦合端口在C頻段有40dB衰減，Ku頻段有30dB衰減）輸入。

⊙ 信號(hào)源發(fā)射一固定功率固定頻率的單載波信號(hào)。

⊙ 將頻譜儀連接波導(dǎo)末端的輸入口（Pin口），記錄輸入功率P1（dBm）。

⊙ 頻譜儀接至開(kāi)關(guān)矩陣輸出端（Pout口），記錄輸出功率P2（dBm）。待測(cè)鏈路的損耗為二者的差值，如公式（7）所示：

4.1 鏈路誤差來(lái)源及誤差分析

（1）LNA耦合輸入口的誤差。耦合接口的衰減系數(shù)是30±0.3dB，整個(gè)鏈路的增益是測(cè)量值加上耦合衰減值，故耦合接口的誤差直接引入了整個(gè)傳輸鏈路，誤差值為0.3dB，該誤差無(wú)法消除。

（2）傳輸系統(tǒng)噪聲對(duì)測(cè)量值會(huì)造成誤差。頻譜儀接收的信號(hào)功率不僅僅是信號(hào)源發(fā)送過(guò)來(lái)的功率，還包括同頻段內(nèi)的噪聲功率，最后在頻譜儀上顯示的功率值（dBm）實(shí)際上是在設(shè)定的RBW帶寬內(nèi)所有信號(hào)功率和噪聲功率的累積，因此實(shí)際的信號(hào)功率應(yīng)該是頻譜儀上顯示的功率減去RBW帶寬內(nèi)的噪聲功率，如公式（8）所示。顯然噪聲功率會(huì)影響信號(hào)功率的測(cè)量精度，這是頻譜儀測(cè)量功率值的一個(gè)誤差來(lái)源。

（3）針對(duì)此噪聲產(chǎn)生的誤差，減小該誤差的辦法之一是減小噪聲。在鏈路系統(tǒng)中噪聲來(lái)源于兩處，一處是鏈路系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲，另一處噪聲來(lái)源于天線接收的外部噪聲。由于天線輸出端連接到LNA的輸入口，輸入口處的連接非常精密，且安裝在天線背部的一個(gè)極小空間內(nèi)，不容易拆卸，若直接拆卸下來(lái)可以立即消除外部噪聲的影響，實(shí)際情況是很難斷開(kāi)天線饋源波導(dǎo)與LNA的連接。一個(gè)減小噪聲的方法就是將天線對(duì)準(zhǔn)冷空，盡量減少外部噪聲的輸入；另一個(gè)方法是設(shè)置盡量小的RBW帶寬，由于被測(cè)信號(hào)是單載波信號(hào)，減小RBW帶寬對(duì)信號(hào)功率無(wú)任何影響，卻能有效降低噪聲功率，在本次信號(hào)測(cè)量中所用頻譜儀為RS-FSH18，將RBW設(shè)置為最?。?00Hz）。減小噪聲誤差的另一個(gè)方法是增大信號(hào)的功率，當(dāng)信噪比大于30dB時(shí)，噪聲對(duì)信號(hào)功率值得影響將下降到0.01d B以下。在本次測(cè)量中，筆者將信號(hào)源發(fā)射功率設(shè)置較大，頻譜儀測(cè)到的信噪比在30～35dB左右，這樣就幾乎完全排除了噪聲對(duì)信號(hào)的影響。

（4）讀數(shù)誤差。該誤差是指頻譜儀測(cè)量信號(hào)功率是由于受到噪聲以及信號(hào)本身功率抖動(dòng)的影響，導(dǎo)致頻譜儀測(cè)到的數(shù)值一直在跳動(dòng)，不會(huì)是一個(gè)固定靜止的值，由此帶來(lái)讀數(shù)的誤差，該誤差比較大，在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)讀數(shù)最大最小值之間的跳變可達(dá)1dB。減小該誤差的方法是設(shè)置頻譜儀的顯示方式為多次平均，這樣可以有效減小功率值的隨機(jī)跳動(dòng)帶來(lái)的讀數(shù)誤差。在本次測(cè)量中，設(shè)置為10次平均，然后用marker功能長(zhǎng)時(shí)間觀察讀數(shù)，等最后數(shù)字穩(wěn)定在一個(gè)狹小的區(qū)間變化時(shí)才開(kāi)讀數(shù)，該方法讀取的數(shù)值重復(fù)性好，變化范圍不超過(guò)0.1dB。最終讀數(shù)誤差控制在0.1dB。

（5）不同測(cè)量?jī)x器導(dǎo)致的誤差。在圖4中可知在整個(gè)鏈路中需要測(cè)試兩個(gè)點(diǎn)，在Pin處測(cè)量一次，然后再Pout處測(cè)量一次，然后二者相減加上耦合衰減值就是鏈路增益。在本次測(cè)量中，兩個(gè)不同的測(cè)量點(diǎn)使用同一個(gè)頻譜儀測(cè)量，兩值相減后就能有效消除了因頻譜儀不同導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在誤差[2]。

4.2 鏈路測(cè)量結(jié)果

鏈路測(cè)量增益結(jié)果分為C頻段與Ku頻段結(jié)果，如表2表3所示。

表2 C頻段鏈路測(cè)量增益

表3 Ku頻段鏈路測(cè)量增益

5 誤差評(píng)估與驗(yàn)證

5.1 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)鏈路總誤差評(píng)估

監(jiān)測(cè)鏈路總的誤差由以下四部分組成：天線增益測(cè)量產(chǎn)生的誤差，饋源波導(dǎo)的估計(jì)誤差，鏈路測(cè)量時(shí)LNA耦合接口引入的誤差，鏈路測(cè)量時(shí)的讀數(shù)誤差。系統(tǒng)總的均方根誤差為±0.45dB，誤差控制較好，詳見(jiàn)表4所示。

表4 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)鏈路誤差

5.2 鏈路校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證

鏈路校準(zhǔn)完畢后，需要對(duì)實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量來(lái)檢驗(yàn)鏈路校準(zhǔn)結(jié)果。衛(wèi)星的信標(biāo)信號(hào)通常都非常強(qiáng)而且非常穩(wěn)定，帶寬已知，是單載波信號(hào)，非常適合作為驗(yàn)證信號(hào)來(lái)驗(yàn)證?，F(xiàn)以亞太6號(hào)信標(biāo)作為測(cè)試信號(hào)，亞太6號(hào)C頻段信標(biāo)EIRP為12dBW/Hz，水平線極化，Ku頻段信標(biāo)EIRP為16dBW/Hz，垂直線極化。測(cè)試結(jié)果為C頻段信標(biāo)為11.6dBW/Hz，Ku頻段信標(biāo)的測(cè)量值為16.3dBW/Hz，與標(biāo)稱(chēng)值的差值為-0.4dBW和0.3dBW，測(cè)量結(jié)果完全符合誤差評(píng)估范圍。

6 結(jié)束語(yǔ)

此次深圳監(jiān)測(cè)站的鏈路校準(zhǔn)，筆者參考以前的鏈路校準(zhǔn)方案，通過(guò)大量的工程測(cè)量資料查詢(xún)研究，以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試出現(xiàn)的測(cè)試問(wèn)題反復(fù)分析，給出了整個(gè)鏈路測(cè)試過(guò)程中的各種誤差來(lái)源及誤差產(chǎn)生原因，提出了減小誤差的方法。該流程方法與以前的粗略測(cè)量方式相比，結(jié)果有了很大的改善。校準(zhǔn)結(jié)果通過(guò)衛(wèi)星信標(biāo)的驗(yàn)證性測(cè)量，具有較高的可信度，測(cè)量誤差在誤差分析評(píng)估的允許范圍之內(nèi)，在校準(zhǔn)測(cè)試中形成的經(jīng)驗(yàn)和方法對(duì)以后的衛(wèi)星鏈路校準(zhǔn)測(cè)試具有很好的借鑒價(jià)值。

[1] 秦順友，許德森．衛(wèi)星通信地面站天線工程測(cè)量技術(shù)．北京：人民郵電出版社，2006.

[2] 劉暢，周吉陽(yáng)，倪正．無(wú)線電設(shè)備射頻參數(shù)測(cè)量中鏈路校準(zhǔn)的不確定評(píng)估．移動(dòng)通信，2010(18).

[3] 倪育才．實(shí)用測(cè)量不確定度評(píng)估．北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

Satellite Radio Link Calibration and Its Error Analysis in Shenzhen Station

Zhou Ping1, Wang Wenshuai2, Xiao Xin1, Lin Hui1, Cai Hongyun1
(1. Shenzhen Station of The State Radio Monitoring Center, Shenzhen, 518120; 2. Beijing Station of The State Radio Monitoring Center, Beijing, 100037)

Satellite radio link calibration is an important part of the maintenance of satellite radio monitoring facility , the measurement accu racy is directly related to the confidence level of the EIRP and PFD of signals measured in the satellite. In this paper, take the Shenzhen monitoring station as an example , we have analyzed all kinds of link errors and how much these errors is in detail ,then proposed some methods to reduce these errors.

satellite; link calibration; link errors

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.07.007

TN 92文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2014）07-0025-04

周 平，碩士研究生學(xué)歷，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心深圳監(jiān)測(cè)站，助理工程師，主要從事無(wú)線無(wú)線電監(jiān)測(cè)以及衛(wèi)星干擾源上行站定位工作，主要研究方向?yàn)樘炀€與微波技術(shù)，信號(hào)分析等。

王文帥，碩士研究生學(xué)歷，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心北京監(jiān)測(cè)站，助理工程師，主要從事無(wú)線電超短波監(jiān)測(cè)，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)等工作，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)分析，無(wú)線電新技術(shù)研究等。

肖 鑫，碩士研究生學(xué)歷，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心深圳監(jiān)測(cè)站，助理工程師，主要從事無(wú)線無(wú)線電監(jiān)測(cè)以及衛(wèi)星干擾源上行站定位工作，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信新技術(shù)研究，盲信號(hào)分析等。

林 輝，碩士研究生學(xué)歷，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心深圳監(jiān)測(cè)站，助理工程師，主要從事無(wú)線無(wú)線電監(jiān)測(cè)以及衛(wèi)星干擾源上行站定位工作，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星監(jiān)測(cè)新技術(shù)研究，信號(hào)分析等。

蔡鴻昀，本科學(xué)歷，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心深圳監(jiān)測(cè)站，助理工程師，主要從事無(wú)線無(wú)線電監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星干擾源上行站定位以及衛(wèi)星監(jiān)測(cè)設(shè)備維護(hù)工作，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星監(jiān)測(cè)新技術(shù)研究，天線技術(shù)研究等。