習(xí) 強，鐘軍濤

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

近些年來，隨著衛(wèi)星通信、深空探測和遙控遙測技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)需求不同研制出了各種口徑尺寸的天線，天線系統(tǒng)的增益與接收系統(tǒng)噪聲溫度之比G/T值是衛(wèi)星地面站天線一項最重要的性能指標(biāo)。G/T值越大，就意味著該系統(tǒng)接收性能越好。目前測量系統(tǒng)的G/T值可以采用射電星法、信標(biāo)塔法、對比法和間接法。采用射電星法是一種比較客觀的方法，這種方法一般采用仙后座A、金牛座A和天鵝座A等射電星，這些射電星一般只適合較大口徑的天線。但是對于中小口徑的天線，由于G/T值較小，測量結(jié)果誤差較大，測試結(jié)果不可信。而對于通常采用的信標(biāo)塔法，雖然技術(shù)成熟但是需要滿足遠(yuǎn)場距離條件，即收發(fā)天線之間的距離R≥2D2/λ(其中D為天線口徑，λ為工作波長)，如 S波段12 m天線最小測試距離為2.21 km，而有些衛(wèi)星地面站的建設(shè)受環(huán)境影響，難以滿足這一遠(yuǎn)場條件。因此為了克服上述兩種方法的局限性，需要尋求一種新的G/T值的測量方法［1］。

太陽是一個頻譜豐富且流量足夠大的強輻射源，其電磁波長為1 mm～20 m。因此可以將太陽當(dāng)作一個寬頻段信號源，只要工作頻率處于此頻段內(nèi)的天線，均可以采用太陽作為輻射源進行天線系統(tǒng)G/T 值的測量［1，2］。

本文給出了利用太陽源測量天線G/T值的原理和方法，結(jié)合實際工程項目給出了太陽源法的測量結(jié)果，通過與信標(biāo)塔法相比較，驗證了該方法實際可行。

1 太陽源法測量原理

利用太陽測量S頻段天線的G/T值的原理框圖如圖1所示。

圖1 太陽源法測量G/T值方法

太陽源法測量天線G/T值的基本原理是:利用太陽作為信號源，采用Y因子法進行測量，首先分別測量出天線指向太陽和冷空時的噪聲功率譜密度，計算二者之差得到Y(jié)因子大小，由此計算出天線的G/T值。

射電星法測量G/T值的基本公式為:

式中，Yn為天線指向太陽與指向冷空時接收機輸出的功率譜密度之差;k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.380622×10－23J/K;λ為測量頻率的波長(m);S為射電星在所測頻率的通量密度(Wm－2Hz－1);K1為大氣吸收衰減因子;K2為波束修正因子［3－5］。

實際測試中，一般要求G/T值測試5°仰角時的G/T值，所以對式(1)要進行修正，如下式:

式中，D為天線對冷空與對5°仰角時接收機輸出的噪聲譜密度之差。

2 太陽源法的測試方法

利用太陽源法測量天線G/T值時，按照如下步驟進行［6，7］:

①如圖1所示連接設(shè)備和測試儀器;

②根據(jù)天線的經(jīng)緯度和高程計算出某時刻天線對準(zhǔn)太陽的方位角和俯仰角，其計算方法參見文獻［7］;

③利用ACU驅(qū)動天線對準(zhǔn)太陽，記下此時頻譜儀測量的系統(tǒng)輸出的功率譜密度Φ1和天線的仰角el;

④將天線方位角偏開太陽20°，俯仰角保持不變，記下此時頻譜儀測量的系統(tǒng)輸出的功率譜密度Φ2;

⑤將天線俯仰角設(shè)置為5°，在方位上指向一個比較空曠的空域，記下此時頻譜儀測量的系統(tǒng)輸出的功率譜密度Φ3;

⑥ 計算Yn=Φ1－Φ2，D=Φ3－Φ2，并根據(jù)式(2)計算出天線的G/T值。

由式(2)可知，要想求出天線的G/T值，需要計算出大氣衰減因子K1、波束修正因子K2和太陽輻射通量，下面分別介紹各參數(shù)的計算方法［8］。

2.1 大氣吸收衰減修正

大氣吸收衰減因子可以表示為:

式中，Ag=0.035 dB(在S波段);el表示對太陽的仰角。

2.2 波束修正

由于太陽的張角約為0.533°，在測量中型天線時要進行修正，修正公式為:

式中，HPBW為天線的波束寬度，天線的波束寬度可以從天線的方向圖上測量出來，在要求精度不高時也可以根據(jù)經(jīng)驗公式計算得到:HPBW=67.5×λ/Dant，λ為波長;Dant為所測天線的口徑。嚴(yán)格地說，式(4)在HPBW≥(0.533/HPBW)≤1時才是正確的，但實際經(jīng)驗證明，此式可用至(0.533/HPBW)≤1.2，此時測量誤差為±2.1%。

2.3 太陽的輻射通量

3 使用條件

利用太陽法測量天線的G/T值雖然精度高，但是要想得到理想的測試結(jié)果，也要嚴(yán)格滿足這種方法的使用條件，否則也會導(dǎo)致測量結(jié)果誤差過大。根據(jù)工程實際測量經(jīng)驗［9－12］，這些使用條件如下:

①天線的G/T值要大于16 dB;

②天線波束寬度滿足波束修正的限制條件;

③保證天線對準(zhǔn)太陽，可通過天線所處大地坐標(biāo)和天文星歷數(shù)據(jù)獲得某一時刻太陽相對地球表面某一坐標(biāo)點的相對位置;也可通過肉眼觀察天線饋源在天線面上的投影來確保天線對準(zhǔn)太陽;

④確保天線軸角編碼器經(jīng)過精確校對;

⑤能得到天文臺當(dāng)天觀測到的太陽輻射的通量密度;

⑥ 太陽的仰角最少在10°以上，最好大于30°;

七夕，“為牛慶生”教你在情感中學(xué)會感恩。相傳，古時兒童會在七夕之日采摘野花掛在牛角上，又叫“賀牛生日”。因為傳說西王母用天河把牛郎織女分開后，老牛為了讓牛郎能夠跨越天河見到織女，讓牛郎把它的皮刨扒下來，駕著它的牛皮去見織女。人們?yōu)榱思o(jì)念老牛的犧牲精神，便有了“為牛慶生”的習(xí)俗。學(xué)會感恩彼此，是愛情的另一個真諦，感恩彼此的付出、感恩彼此的守護、感恩雙方父母給予我們創(chuàng)造與提供的一切、感恩在我們?nèi)松飞辖o予我們的每一份真誠，這是愛情收獲人世間最大幸福、最多祝福的訣竅。

⑦接收機要有足夠大的動態(tài)，確保接收機在天線對準(zhǔn)太陽時不飽和;

⑧被測系統(tǒng)和儀器要預(yù)熱2 h以上;

⑨注意天氣對測量結(jié)果的影響，理想的測量條件是晴天、無云、無風(fēng)或微風(fēng)。

4 工程測試實例

4.1 測試結(jié)果

為了驗證太陽源法測量天線系統(tǒng)G/T值的可行性，2009年7月，在測試12 m S頻段天線時，根據(jù)太陽軌道預(yù)報，并通過互聯(lián)網(wǎng)查詢了附近太陽通量密度測試站的測試數(shù)據(jù)，在仰角為29.4°和32°時通過測量計算出了天線的G/T值。太陽源法計算結(jié)果如表1所示。

表1 太陽源法測12 m天線G/T值

同時，用信標(biāo)塔法做了對比測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 信標(biāo)法與太陽法測量天線G/T值對比

從表2可以看出，用太陽源法測量S頻段天線的G/T值與信標(biāo)塔法的測試結(jié)果優(yōu)于0.2 dB，可以得到可信的結(jié)果。

4.2 測試結(jié)果分析

根據(jù)誤差傳遞公式，G/T值的相對誤差可表示為:

從式(6)可以看出，影響G/T值測量誤差的因素有太陽輻射的通量密度、大氣衰減、波束寬度和Y因子的精度。

太陽輻射的通量密度每天都是變化的，在太陽的平靜期，太陽輻射通量密度日變化量約為1×10－21W/m2/Hz，在測量時必須使用天文臺觀測到的最新數(shù)據(jù)，比如2009年7月3日的輻射通量密度為在1415 MHz處為 5.5 ×10－21W/m2/Hz，在2695 MHz處為7.4 ×10－21W/m2/Hz。其測量精度按±5%計算，此項引起的誤差為±0.2 dB。

大氣衰減在10°仰角時修正量約為0.2 dB，仰角大于30°時修正量小于0.08 dB，其所帶來的誤差可以忽略。

在12 m天線測試中，波束寬度修正因子約為0.7 dB，波束寬度按誤差±5%計算，此項引起的誤差約為±0.07 dB;用太陽測量G/T值Y因子一般大于17 dB(真值為50)，此項誤差可以忽略。

從以上分析得知:其最大的誤差來自太陽的輻射通量密度。太陽法測天線的G/T值，其精度優(yōu)于±0.25 dB。

5 結(jié)束語

簡述了利用太陽源法測量S頻段天線系統(tǒng)G/T值的原理和方法步驟，給出了此方法的使用條件和注意事項。結(jié)合工程實例，以S頻段天線系統(tǒng)G/T值的測試為例，對太陽源法測量G/T值的方法進行了驗證，給出了測試結(jié)果。通過與傳統(tǒng)信標(biāo)塔法的測量結(jié)果進行對比，測試結(jié)果表明，用太陽源法測量S頻段天線的G/T值可以獲得較高的測量精度，其結(jié)果真實可信測量方法簡單可行。因此可在S頻段中小型天線G/T值的實際工程測量中推廣應(yīng)用?！?/p>

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