有源相控阵天线GT测量及误差分析

1、有源相控阵天线G/T值测量及误差分析任冀南 秦顺友 陈辉 吴伟伟(中国电子科技集团公司第54研究所， 河北 石家庄050081 )摘 要：简述了地面站天线系统G/T值测量的传统方法。论述了室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的原理方法，推导出测量的原理方程。分析了G/T值测量误差，其均方根误差小于或等于±0.422dB。最后给出了S波段19元阵天线系统G/T测量结果，实测结果与预算结果吻合很好。关键词：有源相控阵天线；G/T测量；误差分析 G/T Measurement and Error Analysis for Active Phased Array AntennaREN J

2、i-nan, QIN Shun-you, CHEN Hui, WU Wei-wei(The Fifty Fourth Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081, China )Abstract: In this paper, traditional measurement methods are described simply for earth station system G/T value. Measuring principle and procedure of active phased array antenna G/T value

3、 are discussed using outdoor direct far-field method, and measuring principle equation is derived. Error of G/T value measurement is analyzed, and results show that RMS error of G/T value measurement is less than or equal to ±0.422dB. Measuring result of S-band 19-unit array antenna G/T value i

4、s given, test result agrees with prediction result.Key words：active phased array antenna; G/T measurement; error analysis引 言G/T是地面站系统的重要性能参数之一，其性能好坏直接影响系统的灵敏度。目前G/T值传统的测量方法有间接法和直接法123。所谓间接法就是分别测量出天线接收增益和系统噪声温度，从而计算系统G/T值的方法；直接法又可细分为卫星载噪比法和射电源法。卫星载噪比法就是直接测量地面站天线接收卫星信号的载噪比，从而确定G/T值的方法，该方法非常适合卫星通信地面站天线

5、系统G/T测量；射电源法就是测量地面站天线指向射电星和冷空时的Y因子，从而计算G/T值的方法。由于射电源的信号很微弱，对于小型地面站，其系统G/T很小，则很难观测到射电源的信号4。对于有源相控阵天线，因其射频单元与天线单元集成在一起，其天线测试方法不同于常规的无源天线测量56。对于有源相控阵天线系统G/T值测量，无法采用间接法测量系统G/T值；另外如果天线工作频段与卫星频段不符，且系统G/T值较小，则采用卫星载噪比或射电源法测量其G/T值具有局限性。为此我们提出了在室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的方法。实践证明：该方法是切实可行的，在G/T值测量中值得推广和应用。1 测量原理和方法图

6、1所示为室外远场法测量有源相控阵天线G/T值原理方框图。相控阵天线标准天线频谱仪R信号源图1 室外远场法测量相控阵天线G/T值原理方框图图1中，R为测试距离，R应满足远场测试距离条件，即R2D2/（D为待测天线最大尺寸，为工作波长）。由功率传输方程可得：频谱分析仪测量的载波功率C为7： （1)式中：C频谱仪测量的载波功率；Pt标准增益喇叭天线的发射功率；GS标准增益喇叭天线的增益；G待测有源相控阵天线的增益；Gnet有源相控阵天线网络的总增益；LP自由空间的传播损耗；LRF相控阵天线与频谱仪之间射频电缆损耗。将待测有源相控阵天线方位偏开，俯仰转到测量的仰角上（确保有源相控阵天线接收不到标准增益

7、喇叭的发射信号），则频谱分析仪测量的噪声功率N为： （2）式中：k波尔兹曼常数，等于1.38×10-23（J/K)；T有源相控阵天线系统噪声温度；B接收机噪声带宽，它等于频谱分析仪分辨带宽RBW的1.2倍。由式（1）和式（2）可得测量的载噪比C/N为： （3）由式（3）可求得用分贝表示的有源相控阵天线的G/T值为： （4）式（4）就是室外远场直接法测量G/T值原理公式，式中发射功率单位为dBW。现代频谱分析仪可直接测量归一化噪声功率N0，则G/T值与归一化载噪比C/N0的关系为： （5）如果待测天线为圆极化天线，利用式（5）测量出待测天线长轴方向的G/T值，然后加上极化损失即得待测圆

8、极化天线的G/T值。由测量出待测天线的轴比AR（dB），则计算极化损失Lpol为8： （6）2 测量误差分析由式（5）的G/T值测量方程和测量原理可知：室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的主要误差有：信号源发射功率的测量误差、标准喇叭的增益校准误差、载噪比测量误差、路径损耗误差、极化损失误差、天线指向损耗误差和有限测试距离引起的误差等等。表1所示为G/T值测量均方根误差的估算结果。由表1可知远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的均方根误差小于或等于±0.422dB。表1 G/T值测量的均方根误差误差源误差（dB）信号源发射功率测量误差±0.20标准喇叭的增益误差

9、77;0.20载噪比测量误差±0.30自由空间传播损耗测量误差±0.05有限测试距离引起的测量误差-0.03极化失配引起的测量误差-0.05指向引起的测量误差-0.05G/T测量的均方根误差±0.4223 测量实例这里给出S波段圆极化19元阵天线的G/T值测量为例，说明室外远场法测量有源相控阵天线G/T值的方法。图2所示为实际的测试系统图。图2 室外远场测量相控阵天线G/T值实际系统图已知测试频率为2.185GHz，标准增益喇叭增益为17.3dBi，使用测试仪器Agilent 8563EC频谱分析仪，测得信号源的输出功率-40dBm，信号源与标准增益喇叭之间射频电

10、缆损耗为2.24dB，收发天线之间的距离为6米，测量的载波功率为-30.50dBm。有源相控阵天线指向天顶方向时，测量的归一化噪声功率为-136.1dBm/Hz，则由式（5）计算待测天线的G/T值为： dB/K因有源相控阵天线极化为圆极化，应考虑极化损失。测得在最大方向圆极化轴比为0.6dB，由式（6）计算得极化损失2.72dB，则待测圆极化相控阵天线的G/T值为：dB/K该相控阵天线系统G/T的理论预算结果为-10.19dB，由此可见在测试误差允许的范围内，测试结果同理论估算结果吻合很好，从而验证了该方法的可行性。4 结束语随着有源相控阵天线技术的发展，相控阵天线校准和测量技术面临着挑战。传

11、统的天线测量技术无法满足有源相控阵天线测试的需求。本文简述了地面站天线系统G/T值测量的传统方法。论述了室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的原理方法，推导出测量的原理方程。分析了G/T值测量误差，其均方根误差小于或等于±0.422dB。实践证明：该方法是切实可行的，在有源相控阵天线G/T值测量中，值得推广和应用。参 考 文 献1 秦顺友, 许德森编著. 卫星通信地面站天线工程测量技术M. 北京：人民邮电出版社, 2006:147-157.2 INTELSAT SSOG 210. Earth station verification testsS. 2002.3 陈奇波. 地球站

12、品质因数（G/T）测量方法综述J. 通信学报, 1995, 16(2):40-50. 4 陈奇波, 英风仪. 在G/T值测量中选择射电源的三原则J. 无线电通信技术,1997,23(01):10-14.5 孟明霞, 丁晓磊, 丁克乾, 赵英华. 低副瓣有源相控阵天线测试方法研究J. 遥控遥测,2011,32(4):55-60.6 李宏, 薛冰, 杨英科. 相控阵天线的测试技术J. 中国测试技术, 2003,(5):10-13.7 毛乃宏等编著. 天线测量手册M. 北京：国防工业出版社, 1987:28-29.8 秦顺友, 杨可忠, 陈辉. 不同极化天线增益测量技术J. 2003,17(01):7-11.作者简介任冀南 (198