秦?zé)ǘ?，婁景藝，屈曉?/p>

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

衛(wèi)星通信地球站G/T的測(cè)量方法*

秦?zé)ǘ。瑠渚八嚕鼤孕?/p>

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

地球站的品質(zhì)因數(shù)（G/T值）是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中十分重要的指標(biāo)，而設(shè)備在使用過(guò)程中隨著器件的老化，G/T值會(huì)逐漸下降。因此，需要一種簡(jiǎn)單易行的地球站G/T值測(cè)試方法，以便使用者掌握設(shè)備狀態(tài)。以G/T值為例，研究衛(wèi)星通信地球站射頻效能標(biāo)定方法，并基于衛(wèi)星便攜站和頻譜儀搭建典型系統(tǒng)，運(yùn)用直接法測(cè)量天線的G/T值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，考慮到各種誤差因素在內(nèi)，G/T值的誤差在1 dB/K左右，說(shuō)明此方法很好地驗(yàn)證了天線G/T值標(biāo)定方法的可行性。

衛(wèi)星通信；地球站；射頻指標(biāo)；品質(zhì)因數(shù)

0　引 言

衛(wèi)星通信具有容量大、成本低、抗干擾性能強(qiáng)、覆蓋面積廣、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)良特點(diǎn)，已成為艦船通信的重要手段。地球站包含很多射頻指標(biāo)[1]，有些指標(biāo)在使用過(guò)程中會(huì)逐漸下降而需要標(biāo)校，有些指標(biāo)很長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)發(fā)生變化。為了更好地維護(hù)和保養(yǎng)地球站，就要對(duì)地球站的射頻指標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)，需要解析衛(wèi)星通信地球站射頻指標(biāo)對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的影響，以及針對(duì)這些指標(biāo)的標(biāo)定方法。目前，衡量地球站射頻性能的主要技術(shù)指標(biāo)有天線增益、波束寬度、等效全向輻射功率（EIRP）、饋線損耗、1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率、等效噪聲溫度和噪聲系數(shù)、接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)（G/T）等。

表1是地球站各個(gè)射頻指標(biāo)對(duì)通信系統(tǒng)的影響。如表1所示，接收系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)的變化對(duì)通信系統(tǒng)會(huì)有很大影響。通常，將接收天線增益與接收系統(tǒng)總的等效噪聲溫度之比G/T的分貝值，定義為接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)。這是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，也是IntelSat組織對(duì)地球站進(jìn)行分類的主要依據(jù)之一。

表1　地球站射頻性能指標(biāo)

1　品質(zhì)因數(shù)（G/T）的測(cè)量

式中，G表示折算到低噪放入口的天線增益，T表示參考點(diǎn)處的系統(tǒng)等效噪聲溫度。Tα,Tr則分別表示將低噪放前端的天線、饋線的噪聲溫度和低噪放后各設(shè)備的噪聲溫度都折算到參考點(diǎn)后的值。TLNA是低噪放的噪聲溫度。三者之和即為接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度。

本文主要采用直接法來(lái)測(cè)量地球站的品質(zhì)因數(shù)G/T。下面將直接法測(cè)量品質(zhì)因數(shù)作簡(jiǎn)要介紹。

1.1品質(zhì)因數(shù)

地球站品質(zhì)因數(shù)G/T值[2]是天線系統(tǒng)的增益與接收系統(tǒng)噪聲溫度之比，用dB表示為天線系統(tǒng)的增益與接收系統(tǒng)的系統(tǒng)噪聲溫度之差。它是衛(wèi)星地球站重要的技術(shù)指標(biāo)之一，也是衡量地球站靈敏度的質(zhì)量指標(biāo)和地球站分類標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，同時(shí)也是衛(wèi)星地球站入網(wǎng)的強(qiáng)制性指標(biāo)。衛(wèi)星通信地球站G/T值是衡量地球站接收系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，是衛(wèi)星通信線路設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一，也是地球站系統(tǒng)進(jìn)入Intelsat網(wǎng)的強(qiáng)制性測(cè)試項(xiàng)目之一。在國(guó)際衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為保證一定的通信質(zhì)量并能有效利用衛(wèi)星功率，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地球站的性能有明確規(guī)定。對(duì)于衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)而言，唯一決定載噪比大小的就是G/T值。G/T值越大，載噪比越高，表明地球站接收來(lái)自衛(wèi)星信號(hào)的能力越強(qiáng)。

G/T值的測(cè)量一般有直接法和間接法。直接法是利用射電天文法[3]直接測(cè)得G/T值，間接法[2]為分別測(cè)得地球站接收系統(tǒng)的增益值G和噪聲溫度T，再由二者得到G/T值。本文將采用直接法測(cè)量。

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，影響衛(wèi)星通信的各種誤差因子均可精確計(jì)算，那么就可以利用載噪比法直接測(cè)量G/T值[4]。在計(jì)算G/T值時(shí)，通常將低噪聲放大器的入口作為參考點(diǎn)：

1.2測(cè)試原理

該方法是遠(yuǎn)場(chǎng)法的一種，需要滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件[5]。眾所周知，遠(yuǎn)場(chǎng)法中收發(fā)天線之間的距離R≥2D2/λ。其次，要求測(cè)試地點(diǎn)空曠，無(wú)障礙物遮擋，以提高信號(hào)的接受質(zhì)量。最后，還要求收發(fā)天線要架設(shè)得高，以減少地面反射和周圍環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響。

測(cè)量時(shí)不僅簡(jiǎn)單、方便，而且具有如下特點(diǎn)：

（1）利用衛(wèi)星源法直接測(cè)量地球站G/T值，滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件；

（2）測(cè)量是在地球站天線工作條件下進(jìn)行的，因此測(cè)量的G/T值為地球站系統(tǒng)的工作G/T值；

（3）使地面建筑物、環(huán)境等引起的多重反射對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響最小化；

（4）可進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。

圖1為直接法測(cè)試品質(zhì)因數(shù)的簡(jiǎn)易框圖。

圖1　直接法測(cè)試品質(zhì)因數(shù)

測(cè)試步驟如下：

（1）按圖連接設(shè)備，使系統(tǒng)設(shè)備工作正常；

（2）依據(jù)給定的測(cè)試頻率、極化及EIRP，由輔助站發(fā)射一個(gè)未調(diào)制的單載波（若利用衛(wèi)星信標(biāo)，無(wú)需輔助站發(fā)射單載波），使待測(cè)站天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星；

（3）調(diào)整待測(cè)天線極化，使之與衛(wèi)星極化相匹配。此時(shí)，頻譜儀接收的衛(wèi)星信號(hào)為最大。根據(jù)功率傳輸方程，可得頻譜儀測(cè)量的載波加噪聲的功率C+N可表示為：

式中，EIRP為衛(wèi)星的等效各向同性輻射功率；G為地球站天線的接收增益；Lp為自由空間傳播損耗，Lp=(4πd/λ)2；d為地球站到衛(wèi)星的距離，φ為地球站的緯度；Δλ為衛(wèi)星經(jīng)度與地球站經(jīng)度的差；λ為工作波長(zhǎng)；H為星下點(diǎn)至衛(wèi)星的距離（35 860 km）；R為地球的半徑（6 373 km）。

（4）讓待測(cè)天線偏離5°以上，使頻譜儀接收不到衛(wèi)星信號(hào)，從而保證衛(wèi)星噪聲的測(cè)量。此時(shí)，頻譜儀接收的總噪聲功率N可表示為：

由此可以得出：

于是，可得地球站的G/T值：

用分貝表示：

式中，k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；T為接收系統(tǒng)的噪聲溫度；B為頻譜儀的噪聲帶寬，為B=1.2a*(Rb/FEC)。

根據(jù)所得數(shù)據(jù)，可計(jì)算得出G/T值。其中，EIRP為等效全向輻射功率[5]，表示一個(gè)定向天線在其最大輻射方向上輻射的功率，定義為高功放饋送給天線的功率PT與GT定向天線增益的乘積，即EIRP=PTGT。在實(shí)際的地球站發(fā)射系統(tǒng)中，高功放與天線之間有一段饋線。設(shè)該饋線損耗為L(zhǎng)T，則EIRP=P*GT/LT。式中，P為高功放輸出功率。

一般情況下，利用場(chǎng)地法進(jìn)行地球站系統(tǒng)EIRP的測(cè)量。本文對(duì)EIRP的測(cè)量不做贅述，具體測(cè)量方法可參考文獻(xiàn)[5]。

論文利用本單位現(xiàn)有的簡(jiǎn)單裝備（衛(wèi)星便攜站）對(duì)天線的品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)得測(cè)試點(diǎn)經(jīng)緯度為（λ114°14’21”E，ρ30°35’11”N），便攜站所對(duì)衛(wèi)星信標(biāo)頻率為960 MHz。

測(cè)量時(shí)可根據(jù)測(cè)試點(diǎn)的經(jīng)緯度，由式（6）計(jì)算得出對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星所需的方位角和俯仰角。按照使用手冊(cè)將便攜站安裝完畢，在全部安裝完成后，全面檢查確認(rèn)所有安裝與連接，保證準(zhǔn)確無(wú)誤。

1.3測(cè)試步驟

（1）安裝完成后，開啟電源，并將信道設(shè)備設(shè)置到對(duì)星狀態(tài)所需的方位角和俯仰角。

①利用磁羅盤，根據(jù)提供的衛(wèi)星方位角，輕輕移動(dòng)天線基座，使天線基座軸線方向與衛(wèi)星方位角方向重合（誤差不大于±5°）。

②調(diào)整天線基座兩個(gè)輔助支撐腳，使其與天線基座三者之間大約構(gòu)成120°的夾角。調(diào)節(jié)輔助支撐腳調(diào)平裝置，將天線基座支撐平穩(wěn)。

③將磁羅盤仰角指針調(diào)整到衛(wèi)星的仰角度數(shù)上，并置于天線波束指向基準(zhǔn)處，通過(guò)調(diào)整天線仰角調(diào)節(jié)桿，校準(zhǔn)天線仰角（水泡移至中央位置），然后鎖定。

④松開饋源極化固定螺絲，調(diào)整天線饋源的極化偏角。

⑤松開方位鎖定旋鈕，將天線指向在基座軸線方向大約10°左右范圍內(nèi)來(lái)回搜索，同時(shí)觀察液晶顯示屏上顯示“Eb/N0=**dB”值的變化。

⑥若液晶屏上顯示Eb/N0=00 dB，則微調(diào)天線仰角調(diào)節(jié)桿5圈（仰角變化約1°），重復(fù)步驟⑤；若沒(méi)有，則朝另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)天線仰角調(diào)節(jié)桿10圈，再重復(fù)步驟⑤，直到有信號(hào)為止。

⑦Eb/N0顯示值出現(xiàn)變化后，慢慢調(diào)節(jié)方位，信號(hào)最大時(shí)鎖定方位；微調(diào)仰角，信號(hào)最大后鎖定仰角，再微調(diào)方位。如此反復(fù)，直到信號(hào)最大為止。

⑧鎖定好天線的方位和仰角后，再微調(diào)天線的極化偏角，使接收信號(hào)最大。至此，天線對(duì)星完畢。

⑨將信道設(shè)備恢復(fù)到通信狀態(tài)。

（2）連接射頻電纜

將標(biāo)注為“接收射頻入”電纜的一頭接到便攜站前面板上標(biāo)明“射頻入”的接口上，另一頭連接到LNB口；將標(biāo)注為“發(fā)送射頻出”的電纜的一頭接到便攜站前面板上標(biāo)明“射頻出”的接口上，另一頭連接到HNB口。

如果用Ku波段衛(wèi)星通信便攜站對(duì)星較為困難，也可連接好頻譜儀，通過(guò)頻譜儀顯示信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)天線的俯仰角和方位角進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)，固定好天線，此時(shí)對(duì)星完畢。

（3）連接頻譜儀

將頻譜儀電源線接上，將饋源輸出端口與頻譜儀相連。當(dāng)天線正對(duì)衛(wèi)星時(shí)，得到最大信號(hào)頻率，此時(shí)輸入信標(biāo)頻率，通過(guò)微調(diào)，找到信標(biāo)，紅點(diǎn)處即是信標(biāo)。通過(guò)將天線左右擺動(dòng)，頻率強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生變化，每轉(zhuǎn)1°記錄一次強(qiáng)度，左右各擺動(dòng)5°，通過(guò)所記錄數(shù)據(jù)可畫出天線方向圖。

（4）測(cè)量天線載波噪聲頻譜圖

將頻譜儀調(diào)到載波頻譜，調(diào)整出適當(dāng)?shù)念l寬。

2　測(cè)試結(jié)果

當(dāng)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星后，可在頻譜分析儀上讀出收到信號(hào)的強(qiáng)度為-58.96 dBm，信標(biāo)頻率為960 MHz。

調(diào)整天線方位角，可測(cè)得天線偏離衛(wèi)星的角度及頻譜分析儀上的信號(hào)強(qiáng)度，如表2所示。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)天線左右偏離衛(wèi)星5°以上時(shí)，頻譜儀接收到的信號(hào)強(qiáng)度變得很小，故基本可以認(rèn)為此時(shí)天線已經(jīng)偏離衛(wèi)星。

表2　天線偏離方位角及幅度

（以對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星為0°，向北偏離為正，向南偏離為負(fù)）

以A為基準(zhǔn)線（由于最終處理數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)以dB形式顯示，故而A會(huì)被消去，所以A可為任意值），對(duì)天線載波頻譜圖中載波段進(jìn)行積分，可得到：

通過(guò)對(duì)頻譜圖噪聲段進(jìn)行積分，可得出：

通過(guò)載噪比直接法[7]相關(guān)公式，可知：

經(jīng)查，衛(wèi)星的等效各向同性輻射功率EIRP= 39.5 dBW，波爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K，代入可得出地球站G/T值：

換算成dB形式：

故所測(cè)得G/T值為27.39 dB/K，基本與實(shí)際相符。

3　測(cè)量精度研究

為了精確測(cè)量天線的品質(zhì)因數(shù)，必須把各種誤差因子考慮在內(nèi)，應(yīng)考慮各種誤差修正對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。這些誤差因素主要有大氣吸收衰減La、極化衰減Lm、地貌修正因子As、指向誤差引起的損失Lpo。考慮到誤差因素在內(nèi)，則品質(zhì)因數(shù)G/T值測(cè)量的精確計(jì)算公式[7]為：

3.1大氣吸收衰減

工程上為了計(jì)算簡(jiǎn)便，我們依據(jù)SSOG210給出的大氣吸收衰減曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出衛(wèi)星通信C波段和Ku波段大氣吸收衰減的近似公式：

式中EL為天線的仰角。

3.2極化衰減

在測(cè)量過(guò)程中，首先是天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，在對(duì)星準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上再仔細(xì)調(diào)整天線極化與衛(wèi)星極化匹配，以此接收到最大信號(hào)強(qiáng)度。因此，接收天線極化與衛(wèi)星極化傾角之差可調(diào)整在1°范圍內(nèi)，由此引起的誤差為-0.001 3 dB，于是由極化引起的衰減Lm通?？梢院雎圆挥?jì)。

3.3地貌修正因子

在實(shí)際G/T的測(cè)量中，要求天氣晴天、微風(fēng)，因此不考慮降雨的影響。于是，下行地貌修正因子為：

式中，ΔEIRP為衛(wèi)星等效各向同性輻射功率的差值；ΔLp為下行自由空間傳播損耗的差值；ΔLa為大氣吸收衰減的差值；ΔLm為極化損失的差值；ΔTo為下行噪聲的差值。

測(cè)量地貌修正因子比較復(fù)雜，一般在測(cè)量時(shí)，衛(wèi)星的EIRP、下行自由空間損耗Lp和地貌修正因子As由輔助站提供。

3.4指向誤差

由于天線指向誤差Δθ產(chǎn)生增益誤差損失，從而引起測(cè)量誤差。天線指向誤差Lpo：

式中，θ0是天線的半功率波束寬度，且：

將式（17）代入式（16），可得：

本次測(cè)量衛(wèi)星經(jīng)度為東經(jīng)125°，本地經(jīng)度為東經(jīng)114°14’21”，北緯30°35’11”，計(jì)算可得對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星所需的方位角為南偏東20.48°，俯仰角為52.46°。代入式（14），可得：

將式（19）、式（20）、式（21）和式（22）代入式（13），可以得到：

4　結(jié) 語(yǔ)

本文基于衛(wèi)星便攜站和頻譜儀搭建典型系統(tǒng)，運(yùn)用載噪比直接法測(cè)量天線品質(zhì)因數(shù)G/T，實(shí)現(xiàn)了G/T的測(cè)量，驗(yàn)證了天線G/T值標(biāo)定方法的可行性，并對(duì)影響品質(zhì)因數(shù)的各種誤差因素進(jìn)行了分析。考慮到各種誤差因素在內(nèi)，誤差為1 dB/K左右，在允許范圍之內(nèi)?？梢?jiàn)，此方法簡(jiǎn)易可行，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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秦?zé)ǘ。?992—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信；

婁景藝（1979—），女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信、數(shù)字信號(hào)處理；

屈曉旭（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)字通信、無(wú)線通信。

G/T Value Measurement of Satellite Communication Earth Station

QIN Huan-ding, LOU Jing-yi, QU Xiao-xu
(College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei 430033,China)

The G/T value of earth station is a very important index in satellite communication system , and the antenna parameters would decline while the devices become ageing.Therefore,it is necessary to design a simple and easy method to measure G/T value of the earth station,and the user could thus know well the device condition.With G/T value measurement as an example,the calibration method of RF performance for satellite communication earth station rf performance is explored, and based on the typical system built up with satellite portable equipment and spectrometer, the antenna G/T value is measured with direct method. Experiment verifies that the error of G/T is about 1dB/K in consideration of various error factors.The result indicates that this method is simple and easy for measurement of antenna G/T value.

satellite communication;earth station;RF indicator;G/T

V556

A

1002-0802(2016)-08-01078-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.08.023

2016-04-21;

2016-07-22

date:2016-04-21;Revised date:2016-07-22