GB11299.6-1989

中华人民共和国国家标准卫星通信地球站无线电设备测量方法第二部分分系统测量第一节概述第二节天线(包括馈源网络)1299. 6一89of in : 标准是卫星通信地球站无线电设备测量方法系列标准之一本标准等效采用国际电工委员会标准10卫星通信地球站无线电没备测鱿方法第部分分系统测r,十(1一r,) (1一乙) 厂十，3)若1天线对入射波是极化匹配的7天线对人射波是正交极化的，线从给定方向土按预期最大功率传输的极化(同极化)所接收的功率与从同一方向射天线的交叉极化鉴别率为:给定方向巨按预期极化(同极化)的发射功率与相同的方向卜极化与预期极化正交的发射功率之比。除非另有规定，交叉极化鉴别率是同极化波束方向图的波峰优十的鉴别率。如果是线极化，则交叉极化鉴别率(轴比(r)之间的关系用式(魂)表示:忠“注:交叉极化鉴别率是对单极化夭线或双极化夭线戈例如正交极化天线)的每个端口定义的，位于远区的线极化源天线照射，录接收功率(化零点)，记录接收功率(户须检验转动角近似90再将源天线精确地旋转900,检查证明接收功率与最大功率(八、)没有明显的式(5)给出:.( 1在调节范围内各种位置上重复测41i0源天线的交叉极化鉴别率应显著大干被测天线的交叉极化鉴别率源天线应做得使其同极化方向图的蜂值与交叉极化方向图的零值一致，波束轴向)c;,与转动的机械轴并精确地对准被测天线的方向重要的是，位于远区的线极化源天线照射， 的位置匕。源天线围绕它的波束轴至少转动1800，观测接收最大功率(I)和五妙、功率八户。1299. 6一89轴比:表示为一漂. t g )(4)式可用以计算交叉极化鉴别率() ;7. 2. 2条的注、也适用。注:7. 2. 是两个正交极化部分增益的总的如果指某1极化的部分增益，就应标明这种极化，例如，“右旋圆极化增益”或“水平线极化增益”等)的定义也叮从有效面积(出:G=A,.“二，.(7)式中:人工作波长;A接收天线的有效面积(二.，二，.，.，.，二，.，二.，.“二“二。.(8要天线是互易的，上述定义的发射增益和接收增益就相等8. 2测量方法天线功率增益测量的主要方法之一是用增益参考天线进行比较另一种方法包括:种方法仅适用于测量低增益天线主要误差源以及如何确定其量值由附录益参考天线与被测天线位置须尽可能靠近增益参考天线通常安装在大型天线结构上，使传输线长度和指向误差最小，且须认真细心，以保证大型天线的结构不致显著地影响增益参考天线特性。为了避免不同增益引起的误差，增益参考天线与被测天线应使用同一套电子接收设备为了避免与接收设备内增益漂移有关的误差，应采用一种快速比较装置(例如开关)，先将一部天线接到接收设备上，然后再将另一部天线接到接收设备上。这种技术还减少了辐射源本身变化引起的误差。为了避免接收信号电平差别很大时信号检测造成的非线性误差，希望从两部天线接收到的信号电平基本相等为此，可以采用校准的定向祸合器和/或衰减器。当远区源来的信号电平低时(例如卫星夹的信号)，采用校准的定向祸合器比衰减器好，而该祸合器应端接一个冷负载(见图2)另一种方法是，在低噪声放大器后而交替地接入和移去衰减器，并使接收机的噪声温度不明显下降(见图3)。这两种方法，重要的是保证测量期间低噪声放大器和接收机在整个信号范围内的线性特性1299. 6一89当在接收路径中插入开关时，须注意在每一个开关位青都使阻抗失配为最小，因为与回均祖中包括传输线和开关中的T f11抗失配5功率报耗。同样被测天线规定的增益参考点和前置放大器之为每对天线建立相应的极化失配关系式当来白辐射源的波前大大偏离幅度和相位都均匀的平面波条件时，测天线的远区增益可由式(9)确定:C;,=悦刀PiP)q,LL,.。.。二。，。二。.。二。奋场式中;相对于各向同性天线的增益参考天线增益;7极化效率(见711条););人传播介质的吸收/散射损耗(1);,G,，且;P,校准源的功率，W;L,源天线输入与校准源输出的功率传输比(1)一一大气衰减的修正因子;K,(1)射电源角扩展的修正因子。若绝对温度表示则叮写成:k GBK,。，.。.。.，。.。.。.。.16式巾:线分系统的增益则由下式给出:87zS 。1了1方程式(17)表明，用射电星方法测量，只要测定天线指向射电星体时的噪声温度增值(T)，就能求出增益。噪声温度增值(由测量确定的，而(17)式中的所有其他参数都是已知的在(17)式中，功率谱采用说明:2推荐优先采用射电星法测童天线增益1299. 6 )的频率，有关修正因子)的取值见本系列标准第三部分第二节4; / T)测址”8. 2. 本系列标准第三部分第_功5 4;了)测M3测址增益的典型设备配置图6示出用直接方法精确测量天线增益(G)的设备，由三个主要部件组成:射频头部件;“朴频检测部件部件。包含:i)致冷标准负载(11),例如液态四氟化碳(器;11 )致冷参考负载(7)，例如液态氮(器;111 )控制波导开关(3)，它将接收机输人端或者接到被测天线上或者接到致冷标准负载上;密校准的可变波导衰减器(4)和叮变波导衰减器(6)，这些衰减器通常在室温或近于室温(近似290K)的条件下工作;v)电子射频开关(5)，将接收机输入点致冷参考负载和致冷标准负载(或者夭线分系统的输出法兰盘)低噪声放大器(13);测量频率为中心频率的窄带滤波器(14) ;射频到中频的频率变换器(16)邵件。包含:;)中频放大器(17) ;u)两个同步门电路整流器(20和22);个低通滤波器(21和23);较器4) ;v、零指示器(25);选的记录器(26)为了精确测里，重要的是致冷参考负载与致冷标准负载的温度保持不变为此致冷液体是在与当地气压相对应的沸点上应用的。典型的同种冷却剂在760 态氦4. 216395140测量期间，致冷参考负载的温度(衰减器(6)的物理温度(需保持不变，但它们的数值并不参与计算51一方面，必须确定精确的温度差7其中T,，是衰减器(4)的温度和T,e,是致冷标准负载的温度)，因为这个温度差出现在增益表达式，(见方程式23)。这个温度差通常是通过分别测量每个温度值的方法确定的敏电桥还可以用来测量T。和检查在测量过程巾它们是否保持不变测试电路的工作原理如下所述:在 Y)由式(18)给出:1299. 6一89.“.( 18了 +八一么式巾;L, (1)由衰减器(6)引入的报耗:了丫衰减器(6)的物理温度:了、一一致冷参考负载的温度。调整引人损耗(!. )可使y)在T*和大厂值之间的温度范围内变化在3)的位置而定，或是由天线输入噪声功率或者由致冷标准负载确定，而以，在这两种情况下，都山衰减器(4)的温度(10)和衰减器(4)引入的损耗确定当电户开关(5)以80 H相应的噪声信号波形。这种噪声经低噪声放大器(13)放大，经过以增益测量频率为中心频率的带通滤波器(14)滤波，最后由混频器(16)变换到中频射频带通滤波器(14)的主要用途是为了减少混频器(镜像干扰。噪声带宽(B)通常是卜臼中频放人器(17)的带宽决定的。变频后，噪声信号被送到中频检测部件上，如图6所示，中频噪声信号被加到两个整流器上2。和22)，它们由与电子开关(5)同步的矩形波信号交替地通断。该矩形波信号是由“同步设备(18)产生的选通整流器的输出端出现两个独立的噪声信号波形，图76示出整流器(20)输出端的噪声波形，图72)输出端的噪声波形在两个低通滤波器(21)和(23)的输出端，出现分别正比于噪声温度了、和T、的两个肖流(111. L;们被加到比较器网络(24)上，=信号测墩过程要求调整精密衰减器(4)直到噪声温度值相等，以保证增益测量的精度与接收机的线性及其指示器的线性无关因为，这两者仅用于指示零状态。图s):R,一R)(竺5式中各符号与(24)式相同。1A、)要归3?到初级辐射器的输出端!，因此要进行折p假设馈源损耗为L(1A、一7,A 101一1。一毕T.，.。26)(26)式的物理意义是由测得的除因馈源损耗而产生的噪声温度便得天线噪声温度(因子法接收系统噪声温度(T)的测量可与G/可以单独进行测量但是，要从“7流测鱿中求得值，还必须先对接收机分系统噪声温度(行测量接收系统噪声温度(T)的测量设备配置见图10,当波导开关接通热或常温标准负载时，接收的噪声功率与波义为了(，便可由(28)式求出28)式中此测量之前(或在测试之中)，要先测出I标准负载并仍用波导开关接通热或常温标准负载和冷标准负载时所接收的噪声功率之比定义为:T。，。()约由式(29)可得TT。一YT,Y，一1，。二。.。.。二，。二。(30)式求得用(28)27)式求出后用(2c)式便3门可求采用说明:4) 考虑中”，现根据我国的实际情况和需要，子以充实1299. 6一89出T、值有s /0天线分系统电压驻波比(回波损耗天线分系统的电压驻波比或回波损耗以及由于各种失配造成的搅耗的测赁,见本系列标准第一部分第一_节“射频范围内的测量”。如果天线端接的阻抗不同于测壁电压驻波比时的阻抗，那么就有失配队一抗造成的不确定性，除非天线和终端阻抗两者的复数值是已知的，该失配值如下:(1一(1一1一式中:传输线和接收机共同构成的)复数反射系数不知其相位，接收的功率电平是不确定的，因为其侦取决卜反射系数的相对相位，且在下式给出的最大值和最小值之间变化:(1一P) (1一(7士二。.，.。.，.(32)厂一一一一一一一一门图1天线分系统1天线;2一夭线分系统;3跟踪接收机;5一接收分路和倒换设备用校准的定向祸合器和校准的可变中频衰减器)1一天线;23冷负载(见图O);校准的定向藕合器6低噪声放大器;7测试用低噪声放大器;8一本机振荡器;9混频器;切巾频放大器;11一校准的可变中频衰减器;12检波器;13指示器注:(在备用设备中)当远距离源信号强度弱时，建议用冷负载图31天线;2与增益参考天线直接比较的增益测量设备配置(采用校准射频衰减器)增益参考天线;3低噪声放大器;4一开关;5校准的射频可变衰减器;6开关7一本机振荡器;8一混频器;9一放大器;10一检波器;11指示器1299. 6一89飞少阳琦二图4采用调幅信号直接比较法的增益测量设备配,调幅器;9被测天线;于同轴馈线;4功率i ;5低通滤波器;6一射频刃射频信号发生器低颇信号发生器;1(113记录器;14位置参考信号;15增益参考天线;11垂直定位器;16与馈线匹配的校准检波器;飞2低频选放与馈线匹配的精密射频衰减器;17与佣线匹配的校准检波器;18线到馈线巨, 3二 /仁任伽铭-|广|匕图5直接校准信号功率的增益测量设备配置1功率计;2信标源月一定向辐合器，4一远距离增益参考天线;5射频衰减器8标准信号发生器(见正文);90一功率计:11一本机振荡器;12混频器;1:;接收机14一中频衰减器;15一检波器;16一记录器;178大气吸收注此信标源可用射电星替代1299. 6一893护 :图一波导开关;4一精密波导衰减器浦电子开关;6一波导衰减器;7一致冷参考负载;89)铂丝温度传感器;11致冷标准负载;12一波导负载;134一带通滤波器;15本机振荡器;15混频器;17一中频放大器,18一同步设备;”一倒相器;2。一同步选通整流器;23一低通滤波器;24一比较器网络;2一零指示器;26记录器;278一选通器波形a) 2)输出处噪言整流前后噪声信号波形1299. 6一89天线t.,?识条统图8开关型辐射计测量增益(G)设备配值漂移曲线示意图图10测量天线噪声温度的设备配置充件)从列表达式可以计算各种参数对总的相对最大误差的影响K.K，1了、二二二=卜叶-不荞一.“”匕。一八12)，相对最大误差可以表示为:_卜理，二_刃，、一大川瓦与十瓦气十瓦一。编十。，(了一1，八夕其中么1、几，、I，a:和(T。一T。L)是各相应量在测量时的不确定值。(展开得出:一些云李T。一)一几t)一岛+一渔云五一编几，:十吞星鱼(了，、一:，r.).(_、T。3)异出的相对误差万玉一役考思卜夕丫)的不稳定性;天线和波导元件的残余失配;不稳定性造成的误差影响，方程式(19)、(20)和(21)需重新调整如卜了丫T、+，.，(，+)_1=十1。一1一下一山胜2、儿。.乒+7、1一共石们、6)其中盯，Y。(n=是，I丫值的变化，这种变化发生在与式(19)和(2。)或(别)有关的测丝之问由方程式(以求出噪声温度增值口5):几一气一产(“认一汽，+嶙内一场娜假定是完全匹配的。恨据上述假定，方程式(19),(20)和(21)变为:八 _!l r=-(1一a+1。1一乙们1一少，=T,十T,。、 1一李(1一。”+T石13)其中是波导开关(3)接通标准负载时的反射系数，而。是波导开关(3)接通天线时的反射系数。从方程式(导出噪声温度增值(T,)的表达式:L,:一LL.,1一a,1一a,了a,一“1. I. (程式(是一例，当考虑失配影响时，必须确定噪声温度增值(T,)在每一情况下的精确表达式。另外，在调整，不确定性取决于显示器误差和接收机灵敏度，而后者正比于(是显示器的时间常数为了说明方程式(23)中各因素造成的总相对误差以考虑:功率谱流量密度引入的相对误差约为2%正因子。仰角)，误差K,/K,约为l%。误差:3)计算的绝对误差可认为约10K，该数值必须加卜:1)由7 为1K);残余失配造成的误差项E，采用回波损耗优于25 值约为1 K;由读数误差造成的误差项E，约为。2K;接收机造成的误差E0，约为3的绝对误差保持在15增益约为6o 声温度增值(均为170 最坏情况下相对误差、为10%左右。考虑引用a,b,c,用射电星方法总的相对误差/“大约为14%(0.5 录充件)在所有增益测量方法中，限制精度的基木因素是:环境温度的稳定性;一一接收的信噪比;辐射源的电平变化;接收设备中增益的变化;测试路径的传播特性的变化;接收设备的非线性;系统噪声温度的不稳定性;一一已知参考信号发生器功率的精确程度;又见察者的读数误差在直接比较方法中，以及在直接校准法的某些方而，增益参考天线的校准精度是限制测量枯度的要因素在直接校准法巾，己知传播路径损耗的精确程度、等效全向辐射功率(校准精度和检测器校准精度是限制测量精度的基本因素。在某种程度上，还将有残余误差存在这是因为对指向不准、极化失配、波前在被测天线过定向祸合器的功率传输校准精度可确定在土。. I 输线损耗算传输线功率损耗时，也须包括阻抗失配为了决定极化效率，必须知道每一部天线的轴向极化特性，以及从远区辐射源接收到的场强的极化特性(见7. 对接收波前不均匀性的修正因子是最难精确确定的。这种不均匀性有两种主要原因其离被测天线太近;其二，天线前方的以及直接传播路径附近的障碍物可使辐射源来的信号产件辐如，从位于主轴上的辐射源发出的射线到达孔径中心与到达离中心距离为)为:二一*!*/:+(01“一:)、Y、八厂其中*是天线孔径中心与辐射源之问的距离，若*远、于P，于是。一果，在孔径、:而;后的一二次相位误差，孔径边缘处的峰值相对误差为纂 (弧、。七卜(I(常把圆孔径夭线的远区距离视为:R=2D。， (B?)式中:A -圆孔径的直径，单位与几和尺的单位相同。即使在这个距离上，从辐射源到天线孔径的中心的射线与从辐射源到天线孔径的边缘的射线之6，从而使入射波前的相位偏移达22. 50注:在许多情况下，为测试方便起见，采用比远区距离近得多的辐射源，此时增益或损耗因子可变得卜分大IF:故意使天线从“远区设计”结构偏焦，使它产生的相位误差与辐射源靠近时产生的幸of 号相反，实际上，由近区(射源所产生的相位误差是不可能完全抵消的对于大多数大型反射器天线，方程式(9)中的两个修正因子(N)有一些小于N,常比N,更接近于I,因为增益参考天线的直径通常小于被测天线的直径。N。适用于下述被测天线的工作增益:该天线馈源沿轴线向主反射器移动一段算定的距离，使天线对远区聚焦。对于双反射器天线也有相似方法，在测试中，将副反射器作轴向移动，以便在短距离测试时典高增益双反射器天线，推荐用这个方法而不是移动馈源，因为初级馈源移动，随之而来的是馈源对副反射器照射带来大变化为了再次聚焦到无限远处双反射器天线的m9 种方法对副反射器是凹的或凸的天线都适用。需注意:动副反射器的精度要求就越高，因为相位误差的增大要用聚焦的1299. 6一89正，而且聚焦到无限大时的天线儿何形状与测试场条件下聚焦的情况是不相同的，所以反射器的照射和一次、二次辐射器上的绕射都有小的变化。因此，在短测试场内，对单或双反射器天线的测量，就将导致再聚焦后从测得值所计算出的那些值的不确定性附录充件)给出一种可替代本系列标准第二部分第几节的方法适用于尺型地球站天线，因为难以做到把源夭线常采用卫星源法，这种简单的测试方法仅取决于相对功率(电平)的测量，就能达到可接受的精度。山于这种方法简单，几乎完全可用于目前正在工作的卫星系统，所以卫星源法测量交叉极化鉴别率就成了一种优先选用的方法。注;(1)天线的交叉极化鉴别率最少应在覆盖跟踪波束宽度的角度范围内进行测量此外，由于交叉极化随频率而变，故测量应在收发带宽内进行。应注意，当利用卫星时，应核对极化的方向能够进行测试的频率还可能受到限制。星必须工作，而且测量设备配置应允许分别在收、发条件下测量天线的交叉极化鉴别率。优先推荐的测量设备配置如图球站向卫星发射一个未调制的连续波射频信号，并由地球站接收“闭路返间”信号，用频谱分析仪测量所接收的信号功率(电平)。如果有可调的下变频器，则频谱分析仪可连接到下变频器中频输出端。传输参数应处于如下状态:卫星和地球站都工作在其传输特性的线性范围内。卫星必须工作在这样的方式上:仅同极化传输信号能通过转发器。地球站的等效全向辐射功率(频谱分析仪的测量带宽应当使得:对于同极化测量，载噪比不低于45 于线极化系统在交叉极化方式发射时，应调整极化，其方法是:通过旋转地球站极化器以获得最佳零值状态，极化器装置应保持在这种位置。在“闭路返回”的基础上，通过低噪声放大器1测量所接收到的载波功率(电平)然后地球站以正交极化方式，通过高功放2发射同样的功率，其后测量通过低噪声放大器1所接收的交叉极化载波分量。两次测量的功率比(以分贝表示)就是发射的交叉极化鉴别率。42 1