秦順友，張文靜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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天線饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量新方法*

秦順友，張文靜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要:天線饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的傳統(tǒng)測(cè)量方法忽略了饋源喇叭損耗的貢獻(xiàn). 為了精確測(cè)量天線饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗，本文提出了用標(biāo)準(zhǔn)喇叭增益比較法確定天線饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的一種新方法. 利用功率傳輸方程，推導(dǎo)了天線饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量的原理方程，簡(jiǎn)述了其測(cè)量的方法程序. 分析了失配誤差對(duì)天線饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量的影響，計(jì)算了失配誤差修正曲線. 最后，給出了一個(gè)Ka波段圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果滿足饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的技術(shù)要求，從而驗(yàn)證了該方法的可行性.

關(guān)鍵詞:饋源網(wǎng)絡(luò)； 插入損耗測(cè)量； 增益比較法； 反射系數(shù)； 失配誤差

0引言

饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗是地面站天線的重要性能指標(biāo)之一. 在衛(wèi)星通信測(cè)控站系統(tǒng)中，為了精確測(cè)量天線增益，精確測(cè)量天線饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗是很重要的[1,2]； 在深空探測(cè)和射電天文等低噪聲應(yīng)用系統(tǒng)中，精確測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗，確定其損耗噪聲對(duì)系統(tǒng)噪聲溫度的貢獻(xiàn)也是非常重要的[3,4]. 天線饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量的傳統(tǒng)方法有：功率比法、短路駐波法和雙定向耦合器法等[5-7]，但是這些傳統(tǒng)測(cè)量方法均是去掉了饋源網(wǎng)絡(luò)的喇叭頭，將饋源網(wǎng)絡(luò)等效成一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，按照傳輸法或短路駐波法測(cè)量?jī)啥丝诰W(wǎng)絡(luò)的插入損耗，其結(jié)果忽略了饋源網(wǎng)絡(luò)的喇叭損耗. 實(shí)際上，天線饋源網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)單端口器件，其插入損耗包括微波網(wǎng)絡(luò)損耗和喇叭的損耗，按照傳統(tǒng)的方法無(wú)法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)的整體插入損耗，因此研究天線饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的測(cè)量方法不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值. 本文提出了利用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭比較法，測(cè)量天線饋源網(wǎng)絡(luò)的功率增益，由饋源喇叭方向性增益減去功率增益，即得饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的測(cè)量方法. 實(shí)踐證明：該方法是切實(shí)可行的，在實(shí)際工程測(cè)量中，值得推廣和應(yīng)用.

1測(cè)量原理及方法

圖1 所示為增益比較法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的原理圖.

圖1　增益比較法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的原理框圖Fig.1　Schematic block diagram of measuring feed network insertion losses using gain compared method

圖1 中R為收發(fā)天線之間的距離，R應(yīng)滿足天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件，即R≥2D2/λ，其中D為待測(cè)饋源喇叭的口徑，λ為工作波長(zhǎng). 按照?qǐng)D1 所示的原理框圖，建立測(cè)試系統(tǒng)，首先將待測(cè)饋源喇叭與發(fā)射喇叭對(duì)準(zhǔn)，且極化匹配無(wú)阻抗失配條件下，頻譜儀測(cè)量的信號(hào)功率電平最大. 由功率傳輸方程可得：頻譜儀測(cè)量的信號(hào)功率電平[8-10]

(1)

式中：PRX為頻譜儀測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)接收的信號(hào)功率；PT為信號(hào)源的輸出功率；GT為發(fā)射喇叭的增益；DF為待測(cè)饋源喇叭的方向性增益；LTX為發(fā)射電纜的射頻損耗；ILF為待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗；LRX為接收電纜的射頻損耗.

將頻譜分析儀的測(cè)試電纜接標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭，保持收發(fā)天線之間的測(cè)試距離不變，發(fā)射喇叭與標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭對(duì)準(zhǔn)，且發(fā)射喇叭與標(biāo)準(zhǔn)喇叭極化匹配無(wú)阻抗失配條件下，頻譜儀的信號(hào)功率最大. 則用頻譜儀測(cè)量的信號(hào)功率電平

(2)

式中：PRS為頻譜儀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)喇叭接收的信號(hào)功率；GS為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的增益.

由式(1)與式(2)相比可求得待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗

(3)

式(3)用分貝表示為

(4)

式(4)就是利用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭比較法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的原理公式，其括號(hào)部分實(shí)質(zhì)就是用比較法測(cè)量的饋源網(wǎng)絡(luò)的功率增益，由饋源喇叭方向性增益減去測(cè)量的饋源網(wǎng)絡(luò)功率增益，即得饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗. 通常標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的增益精確已知，而饋源喇叭的方向性增益一般可通過(guò)理論計(jì)算或測(cè)量獲得，因此只要測(cè)量出標(biāo)準(zhǔn)喇叭和待測(cè)饋源喇叭接收的信號(hào)功率電平的大小，就可以計(jì)算待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的插入損耗.

在實(shí)際工程應(yīng)用中，饋源喇叭的方向性增益可利用實(shí)測(cè)的饋源喇叭的E面方向圖FE(θ)和H面方向圖FH(θ)，通過(guò)數(shù)值積分的方法計(jì)算獲得饋源喇叭的E面方向性增益DE和H面方向性增益DH，則用公式表示為[1,2]

(5)

(6)

由式(5)和式(6)計(jì)算的饋源喇叭的E面方向性增益DE和H面方向性增益DH，計(jì)算二者平均值得饋源喇叭方向性增益[2]，用分貝表示為

(7)

式(4)為待測(cè)饋源喇叭與發(fā)射喇叭、標(biāo)準(zhǔn)喇叭與發(fā)射喇叭極化均匹配情況下，標(biāo)準(zhǔn)喇叭法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的原理公式. 在實(shí)際工程測(cè)量中，發(fā)射喇叭和標(biāo)準(zhǔn)喇叭一般為線極化，待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)一般工作于線極化或圓極化. 當(dāng)待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)工作于圓極化時(shí)，必須考慮極化損失的影響，假設(shè)待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的圓極化軸比為AR(dB)，則圓極化饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的計(jì)算公式為

(8)

式中：CFCP為極化損失修正因子，極化損失修正因子與軸比的關(guān)系為[11]

(9)

2失配誤差分析

式(4)和式(8)均為阻抗匹配情況下，標(biāo)準(zhǔn)喇叭增益比較法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的原理公式，實(shí)際上，完全匹配是不存在的. 待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的失配必將引起饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的測(cè)量誤差. 由微波失配理論可知：當(dāng)待測(cè)饋源喇叭和發(fā)射喇叭對(duì)準(zhǔn)時(shí)，收發(fā)天線之間的總失配因子[12]

(10)

式中：Γg為信號(hào)源的反射系數(shù)；Γx為待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)；Γt為發(fā)射喇叭的反射系數(shù)；Γr為頻譜分析儀的反射系數(shù).

在實(shí)際工程測(cè)量中為了減小阻抗失配誤差對(duì)饋源網(wǎng)絡(luò)插入測(cè)量的影響，常在信號(hào)源的輸出端和頻譜分析儀的輸入端接隔離器，這樣Γg≈Γr≈0，則式(10)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(11)

已知標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的反射系數(shù)為Γs，當(dāng)待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)換成標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭時(shí)，同理可得收發(fā)天線之間的總失配因子

(12)

則失配引起的饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量誤差

(13)

已知反射系數(shù)Γ和電壓駐波比VSWR的關(guān)系為

(14)

將式(14)帶入式(13)并化簡(jiǎn)可得

(15)

式中：VSWRx為待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的電壓駐波比；VSWRs為標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的電壓駐波比.

圖2　失配引起的饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量誤差Fig.2　Measurement error of feed network insertion losses because of mismatch

如圖2 所示，給出了標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭電壓駐波比分別為 1.1，1.2，1.3，1.4和1.5時(shí)，饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量誤差與待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)電壓駐波比的關(guān)系曲線. 計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭電壓駐波比與待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)電壓駐波比相等時(shí)，失配引起的饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的測(cè)量誤差等于0 dB； 當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭電壓駐波比大于待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)的電壓駐波比時(shí)，失配引起的插入損耗測(cè)量誤差大于0 dB； 當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭電壓駐波比小于待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)電壓駐波比時(shí)，失配引起的插入損耗測(cè)量誤差小于0 dB. 在饋源網(wǎng)絡(luò)小損耗高精度測(cè)量中，應(yīng)考慮阻抗失配誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.

3工程測(cè)量實(shí)例

以某工程應(yīng)用的Ka波段饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量為例，說(shuō)明增益比較法測(cè)量饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的方法. 圖3 所示為Ka波段待測(cè)饋源網(wǎng)絡(luò)，其主要技術(shù)要求如下：

發(fā)射工作頻段：30.0～31.0 GHz； 發(fā)射極化： 左旋圓極化；

接收工作頻段：20.2～21.2 GHz； 接收極化： 右旋圓極化；

電壓駐波比： ≤1.25； 插入損耗： ≤1 dB.

圖3　Ka波段饋源網(wǎng)絡(luò)Fig.3　Ka-band feed network

表1 所示為Ka波段饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量結(jié)果. 因標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭的電壓駐波比小于或等于1.2，則由阻抗失配引起的最大插入損耗測(cè)量誤差為-0.018 dB，忽略不計(jì). 表1 測(cè)試結(jié)果表明：在測(cè)量誤差允許的范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果滿足饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的技術(shù)要求，從而驗(yàn)證了該方法的可行性.

表1　Ka波段饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量結(jié)果

4結(jié)束語(yǔ)

眾所周知，饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗是地面站天線的重要性能指標(biāo)之一. 目前傳統(tǒng)的饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗測(cè)量方法均不包含饋源喇叭的損耗，因此存在著局限性. 為了精確測(cè)量饋源喇叭和網(wǎng)絡(luò)的整體插入損耗，本文提出了利用標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭比較法，確定天線饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗的新方法，推導(dǎo)了測(cè)量原理方程，分析了失配誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并給出了工程測(cè)量實(shí)例. 實(shí)踐證明：該方法是切實(shí)可行的，在實(shí)際工程測(cè)量中值得推廣和應(yīng)用.

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A New Method for Antenna Feed Network Insertion Loss Measurement

QIN Shunyou, ZHANG Wenjing

(The Fifty Fourth Institute of CETC, Shijiazhuang 050081, China)

Abstract:Traditional measurement methods of antenna feed network insertion loss neglect contribution of the feed horn loss. In order to measure exactly insertion loss of antenna feed network, a new method for measuring antenna feed network insertion loss is presented using compared method of standard gain horn. Principle equation of antenna feed network insertion loss is derived using power transmission equation, and test procedure is described simply. It is analyzed that effect of mismatched error on antenna feed network insertion loss measurement. At fast, measuring results of insertion loss are given for Ka-band circular polarization feed network, measuring results meet technique requirement of the feed network insertion loss, and feasibility of the method is verified. The paper has importance reference value of insertion loss measurement of antenna feed network.

Key words:feed network； insertion loss measurement； gain compared method； reflection coefficient； mismatch errors

文章編號(hào):1671-7449(2016)04-0336-05

收稿日期:2015-11-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013CB837900)

作者簡(jiǎn)介：秦順友(1964-)，男，研究員，碩士，主要從事微波與天線測(cè)量技術(shù)的研究.

中圖分類號(hào):TM931

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.04.009