秦順友

(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)

0 引言

地面站系統(tǒng)G/T值定義為地面站天線接收增益與系統(tǒng)噪聲溫度之比，也稱為地面站系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)。G/T值或系統(tǒng)噪聲溫度是射電天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)[1]、深空探測(cè)系統(tǒng)[2]和衛(wèi)星通信系統(tǒng)[3]等重要性能指標(biāo)之一，其性能好壞直接影響系統(tǒng)的靈敏度。因此，研究地面站系統(tǒng)G/T值測(cè)量方法及其特點(diǎn)，不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，還具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

目前傳統(tǒng)的G/T值測(cè)量方法有間接法[4]和直接法[5]。直接法又可細(xì)分為載噪比法和射電天文法[6]。所謂間接法是分別測(cè)量出地面站天線接收增益和系統(tǒng)噪聲溫度，從而計(jì)算系統(tǒng)G/T值的方法；載噪比法是直接測(cè)量地面站系統(tǒng)接收載噪比，從而確定G/T值的方法；射電天文法是測(cè)量地面站天線指向射電源與偏離射電源的噪聲功率之比的Y因子，從而計(jì)算G/T值的方法。近年來(lái)，在用衛(wèi)星載噪比法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值時(shí)，由于衛(wèi)星下行EIRP或信標(biāo)EIRP不易精確測(cè)量，從而限制了載噪比法測(cè)量G/T值的方法應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，提出了比較法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T的方法[7]。該方法是用待測(cè)地面站系統(tǒng)G/T值與標(biāo)準(zhǔn)地面站天線系統(tǒng)G/T進(jìn)行比較，從而確定地面站系統(tǒng)G/T值的方法。本文系統(tǒng)總結(jié)了G/T值測(cè)量的方法，闡述了不同測(cè)試方法優(yōu)點(diǎn)及其局限性，為地面站系統(tǒng)工程師選擇最佳G/T值測(cè)量方法提供科學(xué)的指導(dǎo)和參考。

1 間接法測(cè)量G/T值

間接法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值是一種非常經(jīng)典的方法。該方法測(cè)量G/T值的基本原理是：通過(guò)分別測(cè)量地面站系統(tǒng)天線接收增益GR和系統(tǒng)噪聲溫度TSYS，從而計(jì)算地面站系統(tǒng)G/T值的方法?？杀硎緸椋?/p>

(1)

目前地面站天線接收增益的測(cè)量方法有：射電源法[8]、比較法(可細(xì)分為室外遠(yuǎn)場(chǎng)增益比較法[9]、近場(chǎng)增益比較法[10]和衛(wèi)星源比較法[11]等)、方向圖積分法[12]、波束寬度法[13]、三天線法[14]、鏈路計(jì)算法[15]和單天線法(或稱鏡像法)[16]等。

對(duì)于給定的待測(cè)天線，選擇一個(gè)合適方法測(cè)量天線增益非常重要。例如對(duì)于大口徑射電天文天線和深空探測(cè)天線，非常適合用射電源法測(cè)量天線增益；又如新研制毫米波喇叭饋源，待測(cè)天線只有一個(gè)，適合利用鏡像法測(cè)量天線增益；再如衛(wèi)星通信地面站天線，其增益測(cè)量常采用波束寬度法或方向圖積分法等。一般情況下，可依據(jù)待測(cè)天線形式、天線的電尺寸、工作頻率以及現(xiàn)有測(cè)試場(chǎng)地條件等，選擇合適的增益測(cè)量方法。

地面站系統(tǒng)噪聲溫度常采用經(jīng)典的Y因子法進(jìn)行測(cè)量[17]，Y因子法測(cè)量地面站系統(tǒng)噪聲溫度的原理圖如圖1所示。

圖1 地面站系統(tǒng)噪聲溫度測(cè)量的原理圖Fig.1 Principle block diagram of the earth station system temperature measurement

如圖1所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)依次接常溫負(fù)載和待測(cè)地面站天線時(shí)，則頻譜分析儀測(cè)量的噪聲功率之比為[18]：

(2)

式中，k為玻爾茲曼常數(shù)，等于1.38×10-23J/K；T0為常溫負(fù)載噪聲溫度(K)；TLNA為低噪聲放大器的噪聲溫度(K)；GLNA為低噪聲放大器增益；B為頻譜儀的噪聲帶寬(Hz)；TSYS為地面站系統(tǒng)噪聲溫度(K)。

由式(2)求出地面站的系統(tǒng)噪聲溫度為：

(3)

由式(3)可見(jiàn)：只要分別測(cè)量出地面站系統(tǒng)天線接收增益和系統(tǒng)噪聲溫度，利用式(1)可計(jì)算出地面站系統(tǒng)G/T的大?。辉摲椒ㄐ枰獑为?dú)測(cè)量天線接收增益和系統(tǒng)噪聲溫度，其測(cè)試設(shè)備和系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，測(cè)量精度主要取決于天線接收增益測(cè)量精度和系統(tǒng)噪聲溫度測(cè)量精度。天線增益測(cè)量精度取決于所采用的增益測(cè)量方法，例如比較法測(cè)量天線增益精度可達(dá)到0.26 dB[19]，假定系統(tǒng)噪聲溫度測(cè)量相對(duì)誤差約為5%，則地面站系統(tǒng)G/T值測(cè)量的均方根誤差為0.34 dB。

由間接法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T原理可知：任意電尺寸和任意工作頻段的天線與電子設(shè)備可分離的無(wú)源天線系統(tǒng)均可采用間接法測(cè)量地面站系統(tǒng)的G/T值，但是對(duì)于地面站系統(tǒng)的低噪聲放大器或接收機(jī)系統(tǒng)與天線饋源網(wǎng)絡(luò)集成在一起的有源天線，地面站天線與電子設(shè)備不可分離，無(wú)法采用間接法進(jìn)行地面站系統(tǒng)G/T值測(cè)量。常見(jiàn)的系統(tǒng)有：一體化衛(wèi)星電視天線系統(tǒng)、有源天線或有源相控陣天線系統(tǒng)以及數(shù)字波束天線系統(tǒng)等。

2 載噪比法測(cè)量G/T值

載噪比法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值是通過(guò)測(cè)量地面站系統(tǒng)接收源天線或信標(biāo)天線的歸一化載噪比，從而直接計(jì)算出地面站系統(tǒng)G/T值的方法。該方法最早在衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)G/T值測(cè)量中獲得了應(yīng)用，即通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星通信地面站接收衛(wèi)星下行信號(hào)的歸一化載噪比，利用式(4)計(jì)算地面站系統(tǒng)G/T值[20]：

(4)

式中，LP為衛(wèi)星下行鏈路損耗總和，包括自由空間傳播衰減、大氣衰減、極化損失和指向損耗(dB)；C/N0為測(cè)量的衛(wèi)星下行載波的歸一化載噪比,注意測(cè)量歸一化噪聲功率時(shí)，地面站天線的方位應(yīng)偏離衛(wèi)星方向，確保地面站天線接收不到衛(wèi)星下行信號(hào) (dB/Hz)；EIRPsat為衛(wèi)星下行有效全向輻射功率(dBW)；AS為地理增益修正因子(dB)。

利用衛(wèi)星載噪比法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的顯著特點(diǎn)為[21]：滿足天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件；測(cè)量的G/T值為地面站工作狀態(tài)條件下的G/T值；可使地面建筑物、環(huán)境等引起的多重反射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響達(dá)到最小。該方法的缺點(diǎn)是測(cè)量頻段受衛(wèi)星通信頻段的限制。在此基礎(chǔ)上，將衛(wèi)星載噪比法進(jìn)行推廣，應(yīng)用于室外常規(guī)遠(yuǎn)場(chǎng)載噪比法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值。

室外遠(yuǎn)場(chǎng)載噪比法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的原理圖如圖2所示。信標(biāo)天線和待測(cè)天線之間應(yīng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件，即R≥2D2/λ，R為信標(biāo)天線與待測(cè)地面站天線之間的距離，D為待測(cè)天線最大尺寸，λ為工作波長(zhǎng)。

圖2 遠(yuǎn)場(chǎng)載噪比法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值原理圖Fig.2 Principle block diagram of measuring the earth station system G/T by far field carrier to noise ratio method

遠(yuǎn)場(chǎng)載噪比法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的原理方法為：按照?qǐng)D2建立測(cè)試系統(tǒng)，首先將信標(biāo)天線與待測(cè)地面站天線對(duì)準(zhǔn)，且信標(biāo)天線極化與地面站天線極化匹配，此時(shí)頻譜分析儀測(cè)量的信號(hào)電平最大；然后合理調(diào)整頻譜分析儀分辨帶寬、視頻帶寬和掃描時(shí)間等狀態(tài)參數(shù)，用頻譜分析儀的碼刻功能測(cè)量載波信號(hào)電平的大小，用C表示；再將待測(cè)地面站天線方位偏離信標(biāo)天線，直到頻譜分析儀測(cè)量不到信標(biāo)天線的發(fā)射信號(hào)為止，或直接關(guān)閉信標(biāo)天線的射頻信號(hào)輸出，天線的俯仰旋轉(zhuǎn)到G/T值規(guī)定要求的仰角上，利用頻譜分析儀的碼刻噪聲功能測(cè)量歸一化噪聲功率N0的大小，則測(cè)量的歸一化載噪比為：

(5)

由測(cè)量的歸一化載噪比，利用式(6)計(jì)算地面站系統(tǒng)G/T值。

(6)

式中，LP為自由空間傳播損耗(dB)，Pt為信標(biāo)天線的發(fā)射凈功率(dBW)，GS為信標(biāo)天線增益(dBi)。

遠(yuǎn)場(chǎng)載噪比法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的顯著特點(diǎn)是測(cè)量不受頻率限制，且可測(cè)量任意電尺寸的天線(對(duì)于大電尺寸天線，很難滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件)；該方法的缺點(diǎn)是地面站反射以及多徑效應(yīng)影響測(cè)量結(jié)果。

載噪比法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值，不需要單獨(dú)測(cè)量地面站天線接收增益和系統(tǒng)噪聲溫度，因此該方法不僅適合無(wú)源天線系統(tǒng)G/T值測(cè)量，也適合有源天線系統(tǒng)G/T值測(cè)量。

衛(wèi)星載噪比法非常適合衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)G/T值測(cè)量，但其測(cè)量精度一般，主要是衛(wèi)星信號(hào)EIRP的不穩(wěn)定引起的測(cè)量誤差，目前一般衛(wèi)星系統(tǒng)的EIRP穩(wěn)定度為0.50 dB，則用衛(wèi)星載噪比測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值精度可達(dá)到0.55 dB[22]。

遠(yuǎn)場(chǎng)載噪比直接法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的主要誤差有：信號(hào)源發(fā)射功率的測(cè)量誤差、信標(biāo)天線的增益校準(zhǔn)誤差、載噪比測(cè)量誤差、路徑損耗誤差、極化損失誤差、天線指向損耗誤差、地面多徑反射和有限測(cè)試距離引起的測(cè)量誤差等，其均方根測(cè)量誤差為0.42 dB[23]。

3 射電源法測(cè)量G/T值

眾所周知，許多天體，如太陽(yáng)、月亮、標(biāo)準(zhǔn)離散射電源(仙后座A、金牛座A和天鵝座A等)、行星(木星、金星和火星等)、類星體(3C48,3C147,3C273等)和銀河星系(3C84,3C218,3C353)等除發(fā)射可見(jiàn)光外，還發(fā)射不同波長(zhǎng)的電磁波，其波長(zhǎng)范圍從1 mm～20 m?？梢?jiàn)射電源是一種寬帶微波噪聲源，利用射電源的噪聲可以測(cè)量天線特性。但由于各射電源的輻射強(qiáng)度和角徑不盡相同，因此必須選擇合適的射電源。選擇射電源測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的首要條件是：地面站天線能夠看得見(jiàn)射電源，且在天線轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)，否則地面站天線無(wú)法捕捉到射電源信號(hào)；其次射電源位置應(yīng)精確知道，角尺寸很小，滿足點(diǎn)源條件(射電源的角直徑與天線半功率波束寬度比小于0.2),且射電源的流量密度比較穩(wěn)定，輻射強(qiáng)度合適。常用于地面站G/T測(cè)量的射電源有：標(biāo)準(zhǔn)宇宙源(如仙后座A、金牛座A和天鵝座A等)、月亮、太陽(yáng)和行星等[24]。文獻(xiàn)[25]介紹了太陽(yáng)源測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的方法；文獻(xiàn)[26]詳細(xì)介紹了標(biāo)準(zhǔn)宇宙源測(cè)量G/T值的方法。

射電源法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的原理圖如圖3所示[27]。

利用射電源法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的原理方法是：驅(qū)動(dòng)地面站天線方位和俯仰，使地面站天線指向射電源，用頻譜分析儀測(cè)量其噪聲功率的大?。蝗缓篁?qū)動(dòng)地面站天線偏離射電源，指向射電源附近的冷空，同理測(cè)量噪聲功率的大小。計(jì)算二者的差值得到用分貝表示的Y因子大小，求出測(cè)量的Y因子的真值，由式(7)計(jì)算地面站G/T值[28]:

(7)

圖3 射電源法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值原理圖Fig.3 Principle block diagram of measuring the earth station system G/T by radio source method

射電源法不僅適合無(wú)源天線系統(tǒng)G/T值測(cè)量，也適合有源天線系統(tǒng)G/T值測(cè)量。該方法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的優(yōu)點(diǎn)是：滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離條件；可測(cè)量不同仰角的G/T值；測(cè)試頻段不受限制；測(cè)量結(jié)果不受環(huán)境的影響。其缺點(diǎn)是：不能測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的極化特性；射電源信號(hào)很微弱，測(cè)量的天線口徑受限；不適用手動(dòng)天線或天線驅(qū)動(dòng)受限制的天線；對(duì)小口徑地球站天線而言，射電源法測(cè)量精度不高，但是隨著現(xiàn)代測(cè)量設(shè)備和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，可精確測(cè)量出大于0.2 dB的Y因子，則常用的標(biāo)準(zhǔn)射電源可測(cè)量的卡塞格倫天線的最小口徑如表1所示[6]。

表1 標(biāo)準(zhǔn)射電源可測(cè)量的卡塞格倫天線的最小口徑Tab.1 Minimum aperture for measuring Cassegrain antenna using standard radio source

由式(7)可知，射電源直接法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的主要誤差源：射電源通量密度誤差、大氣衰減誤差、波束展寬修正因子誤差和Y因子誤差。依據(jù)誤差傳遞公式，射電源法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的相對(duì)誤差為：

(8)

由式(8)可知：G/T值測(cè)量誤差不僅與Y因子測(cè)量誤差有關(guān)，而且與Y因子大小有關(guān)。當(dāng)Y1(即Y=0 dB)，Y/(Y-1)，測(cè)量誤差劇增。如果Y≤2 dB，由此產(chǎn)生的測(cè)量誤差迅速下降，因此不宜用通量密度太小的射電源測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值。當(dāng)測(cè)量的Y因子大于或等于4 dB時(shí)，射電源法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的精度優(yōu)于0.20 dB[29]。

4 比較法測(cè)量G/T值

比較法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的方法是從衛(wèi)星載噪比直接法發(fā)展而來(lái)的一種新方法。該方法不需要知道衛(wèi)星信號(hào)EIRP，其測(cè)量的基本原理是：待測(cè)站系統(tǒng)G/T值同標(biāo)準(zhǔn)地面站系統(tǒng)G/T進(jìn)行比較，從而確定待測(cè)地球站系統(tǒng)G/T值的方法。衛(wèi)星比較法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的原理圖如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星比較法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的原理圖Fig.4 Principle block diagram of measuring the earth station system G/T by satellite comparative method

如圖4所示，利用衛(wèi)星比較法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的原理公式為[30]：

(9)

式中，(G/T)S為標(biāo)準(zhǔn)地面站系統(tǒng)G/T值，單位為dB/K；(C/N0)X為待測(cè)地面站天線接收衛(wèi)星信號(hào)的歸一化載噪比，單位為dB/Hz；(C/N0)S為標(biāo)準(zhǔn)地面站天線接收衛(wèi)星信號(hào)的歸一化載噪比，單位為dB/Hz。

式(9)是在待測(cè)地面站天線和標(biāo)準(zhǔn)地面站天線極化均與衛(wèi)星極化匹配條件下，推導(dǎo)出的測(cè)量原理公式。標(biāo)準(zhǔn)地面站天線一般為線極化，當(dāng)待測(cè)地面站天線為圓極化，而衛(wèi)星為線極化；或者待測(cè)地面站天線和衛(wèi)星均為圓極化，應(yīng)考慮極化損失對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

該方法可推廣到室外遠(yuǎn)場(chǎng)法。其顯著特點(diǎn)是：簡(jiǎn)單方便，不需要知道衛(wèi)星信號(hào)或遠(yuǎn)場(chǎng)信標(biāo)信號(hào)的EIRP、自由空間損耗等參數(shù)，只要測(cè)量出歸一化載噪比，即可確定地面站系統(tǒng)G/T。該方法不僅適合無(wú)源天線系統(tǒng)G/T值測(cè)量，也適合有源天線系統(tǒng)G/T值測(cè)量，特別適合電小尺寸的有源天線系統(tǒng)G/T值測(cè)量。例如非衛(wèi)星工作頻段的相控陣天線系統(tǒng)，其接收機(jī)與天線單元集成在一起，且觀測(cè)不到射電源微弱信號(hào)，則比較法是測(cè)量其系統(tǒng)G/T值的最佳方法。

比較法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的主要誤差源有：標(biāo)準(zhǔn)地面站系統(tǒng)G/T值的校準(zhǔn)誤差和歸一化載噪比測(cè)量誤差。待測(cè)地面站天線通常電尺寸較大，接收衛(wèi)星信號(hào)載噪比很大，其測(cè)量誤差較?。欢鴺?biāo)準(zhǔn)地面站天線的電尺寸較小，如實(shí)際工程測(cè)量中，常用高增益標(biāo)準(zhǔn)喇叭，作為標(biāo)準(zhǔn)地面站天線，其接收的衛(wèi)星信號(hào)載噪比很小，歸一化載噪比測(cè)量誤差較大，通常達(dá)到0.50 dB。假設(shè)待測(cè)地面站接收衛(wèi)星信號(hào)歸一化載噪比測(cè)量誤差為0.20 dB，標(biāo)準(zhǔn)地面站系統(tǒng)G/T值校準(zhǔn)誤差0.20 dB，則衛(wèi)星比較法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值的均方根誤差為0.57 dB。若采用常規(guī)遠(yuǎn)場(chǎng)比較法測(cè)量地面站系統(tǒng)G/T值，可有效提高標(biāo)準(zhǔn)地面站系統(tǒng)接收載噪比，從而改善測(cè)量精度。

5 G/T值測(cè)量方法的比較

前面系統(tǒng)討論了地面站系統(tǒng)G/T值測(cè)量幾種方法，即間接法、載噪比法、射電源法和比較法。系統(tǒng)論述了這些方法的測(cè)量原理、方法及其特點(diǎn)。為地面站系統(tǒng)G/T值測(cè)量提供參考。對(duì)于給定的待測(cè)地面站系統(tǒng)，依據(jù)其系統(tǒng)工作頻段、天線口徑大小、是否有源、測(cè)試場(chǎng)地條件及測(cè)試儀表等，進(jìn)行綜合考慮，選擇合適的G/T值測(cè)量方法。表2給出了不同G/T值測(cè)量方法的比較。

表2 地面站系統(tǒng)G/T值測(cè)量方法的比較Tab.2 Comparison of the earth station system G/T measurement methods

6 結(jié)束語(yǔ)

G/T值是地面站系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)之一，其性能好壞直接影響系統(tǒng)的靈敏度。本文系統(tǒng)介紹了地面站系統(tǒng)G/T值的測(cè)量原理方法，即增益噪聲溫度法、載噪比法、射電源法和比較法，簡(jiǎn)述了各種方法的測(cè)量原理，分析了各種G/T值測(cè)試方法特點(diǎn)及其局限性，對(duì)其測(cè)量誤差進(jìn)行了簡(jiǎn)單論述。最后對(duì)各種方法的測(cè)量原理、測(cè)試系統(tǒng)復(fù)雜程度、測(cè)試精度、適合測(cè)試頻段、測(cè)試狀態(tài)、適合測(cè)量對(duì)象、測(cè)試環(huán)境影響和測(cè)試的局限性等進(jìn)行了綜合比較，指出了依據(jù)地面站系統(tǒng)的工作頻段、天線口徑大小、天線是否有源、測(cè)試場(chǎng)地條件及測(cè)試儀表等，進(jìn)行綜合考慮，選擇合適的G/T值測(cè)量方法。本文為地面站系統(tǒng)工程師選擇最佳G/T值測(cè)量方法提供科學(xué)的指導(dǎo)和參考。