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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发布实施中华人民共和国电子工业部发布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中华人民共和国电子工业部批准实施本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第一节概述主题内容与适用范围第二部分所给出的测量方法适用于本系列标准卫星通信地球站无线电设备测量方法第一部分第一节总则中图所示的分系统目的第二部分的目的是叙述卫星通信地球站设备中分系统电性能的测量方法定义分系统是完成一定功能例如调制变频放大的电路或器件的组合装置并且对其电性能机械性能都做了规定能完成类似功能或可用类似的方法测试的分系统归在同一节中第二节天线包括馈源网络主题内容与适用范围本节标准规定了卫星通信地球站天线电性能的测量方法还包括了某些专门关于天线的定义定义本节标准所用的一般术语的定义应参照常用电信设备名词术语但是某些术语中还没有包括或与本节标准定义有差异因此对于本节标准必须用下面条款中给出的定义天线分系统天线分系统是地球站通信设备的一部分如图所示它由天线和馈源网络组成天线由主反射器初级辐射器组成有时还有副反射器馈源网络通常包括一个或多个双工器通过波导馈线接到跟踪接收机以及收发分路合路和倒换设备上增益参考天线增益参考天线是一种具有确定结构并能精确复制的天线其增益与方向性系数优于半波偶极子天线这种天线可由计算确定并通过测量证实其充分的一致性时可用作天线增益测量的换算标准视轴方向视轴方向是相应于天线方向性图特殊的性能的方向对于跟踪天线而言视轴方向是跟踪信号为零的方向对于非跟踪天线视轴方向是最大功率传输方向轴比或椭圆比轴比或椭圆比是极化椭圆的长轴对短轴之比双极化天线双极化天线是一种能同时发送或接收具有两种独立极化信号的天线若这两种极化是正交的就称为正交极化信号注双极化天线有两个或两个以上端口天线有效面积在给定方向上在给定方向上天线有效面积是接收天线匹配终端上的有效功率与从该方向入射到天线上的平面波的单位面积功率之比该平面波的极化与该天线用作发射时所辐射电磁波的极化一致测量条件本标准叙述的测量可以在不同环境条件下进行其限制条件应由有关方面商定例如风速雹冰雨雪太阳辐射温度范围应当承认重力风力和天线指向角度等因素造成的天线几何形状的机械变形会影响测量结果特别是影响增益和交叉极化鉴别率的测量结果测量应在设备技术条件给定的所有频段上进行天线的极化极化效率定义与一般考虑极化效率是用在方程中的一个小于或等于的系数式中给定入射方向上接收天线的有效面积采用说明此处原指差模跟踪而对于极值跟踪天线视轴方向仍为最大功率传输方向极化效率来自方向入射平面波的功率密度没有电阻损耗时由接收天线传输给匹配负载的功率注天线的有效面积或增益方程式用条中给出的方法来测量比较方便采用随机极化信号源即其能量均匀分布于交叉极化之间时极化效率为计算极化效率的一般表达式为式中天线用作发射时在给定方向辐射的远区区的电压轴比相同方向的入射平面波的电压轴比两个极化椭圆长轴之间的角度差注当两极化旋转方向相同时取正号当旋转方向相反时取负号极化效率亦可用式表示若则天线对入射波是极化匹配的则天线对入射波是正交极化的并称天线极化和入射波极化正交交叉极化鉴别率定义与一般考虑接收天线的交叉极化鉴别率是天线从给定方向上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由功率相等但极化正交的同一远区源所接收的功率之比发射天线的交叉极化鉴别率为给定方向上按预期极化同极化的发射功率与相同的方向上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上产生的鉴别率如果是线极化则交叉极化鉴别率由轴比的平方给出若是圆极化与之间的关系用式表示注交叉极化鉴别率是对单极化天线或双极化天线例如正交极化天线的每个端口定义的线极化天线的测量方法被测天线安装在测试场上用位于远区的线极化源天线照射两天线应为标称同极化并精确置于最大增益位置记录接收功率然后将源天线围绕它的波束轴旋转到最小功率传输的位置极化零点记录接收功率须检验转动角近似再将源天线精确地旋转检查证明接收功率与最大功率没有明显地差别交叉极化鉴别率由式给出如果被测天线的极化平面是可调的应在调节范围内各种位置上重复测量注源天线的交叉极化鉴别率应显著大于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峰值与交叉极化方向图的零值一致波束轴向应与转动的机械轴一致并精确地对准被测天线的方向重要的是从测试场反射的信号电平应低于影响测量精度的电平圆极化天线的测量方法被测天线安装在测试场用位于远区的线极化源天线照射两天线按条精确地设置在最大增益的位置上源天线围绕它的波束轴至少转动观测接收最大功率和最小功率轴比表示为式可用以计算交叉极化鉴别率条的注也适用注条和条不十分适用于大型地球站天线交叉极化鉴别率的测量建议用卫星源法测试见附录测量精度见附录天线的功率增益定义与一般考虑天线的功率增益指相对于各向同性的无耗源的总增益它是两个正交极化部分增益的总的如果指某一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等接收天线增益的定义也可从有效面积导出式中工作波长接收天线的有效面积参见条的定义即如果天线在同一频率上从同一端口用作发射或接收只要天线是互易的上述定义的发射增益和接收增益就相等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用方向图积分法确定天线的方向性系数用独立测量或计算确定天线效率这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和附录给出用直接与增益参考天线比较的方法测量增益增益测量的直接比较法就是比较增益参考天线和被测天线从相同距离的辐射源接收到的信号电平为使不同传播路径造成的误差变为最小增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耦合器和或衰减器当远区源来的信号电平低时例如卫星来的信号采用校准的定向耦合器比衰减器好而该耦合器应端接一个冷负载见图另一种方法是在低噪声放大器后面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当在接收路径中插入开关时须注意在每一个开关位置都使阻抗失配为最小因为某些电子器件的增益会随阻抗失配的变化而变化还须细心确定增益参考天线和前置放大器之间的功率传递其中包括传输线和开关中的一切阻抗失配与功率损耗同样被测天线规定的增益参考点和前置放大器之间的功率传输损耗也需要确定当两天线的极化和远区辐射源的信号极化有不可避免的差异时应为每对天线建立相应的极化失配关系式当来自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为了精确地确定被测天线的增益每一部天线都需要一个功率传输修正因子考虑到上面全部因素以后被测天线的远区增益可由式确定式中在规定的增益参考点上测得的被测天线相对于各向同性天线的增益相对于各向同性天线的增益参考天线增益极化效率见条测试接收机输入与被测天线输出的功率传输比不包括图中的射频可变衰减器测试接收机输入与参考天线输出的功率传输比非均匀入射波前的修正系数指在图中射频可变衰减器的功率传输比或者是图中可变衰减器与定向耦合器一起的功率传输比检测器在相同电平时被测天线接收的功率和增益参考天线接收到的功率之比注与被测天线接收到的信号有关的用下标表示与增益参考天线接收到的信号有关的用下标表示利用调幅信号测量增益的方法用直接比较方法进行天线增益测量时采用波导联接增益参考天线和公共的测试接收机常常是不现实的特别是为了校准接收到射频场波前的均匀性要移动增益参考天线时更是这样较实际的方法是使用两个校准的检测器分别安装在被测天线和增益参考天线的输出法兰盘上射频信号源由一低频例如信号作幅度调制这种测量装置示于图其中低通滤波器是为了减少射频信号源的谐波成分引起的测量误差增益参考天线的安装要使得被测天线能够探测到入射电磁场而不造成相互干扰被测天线输出端用一个精确校准的射频可变衰减器使来自测量支路与参考支路的信号电平精确相等使两部天线的增益能用低频选频放大器在相同输入电平上进行比较在远源波前传播方向的垂直平面内将增益参考天线上下和左右移动将低频选频放大器接到增益参考天线的输出端在天线每次移动之后记录下低频选频放大器的输出功率其目的是找到这样的天线位置使辐射源来的入射波不受地面被测天线或任何其他障碍物反射的干扰入射波前的均匀性可由天线在每个位置上接收到的功率差值得出如果不能找到场强均匀分布的区域就画出接收到的功率对天线坐标相应点所连成的平滑曲线并记录最大功率必须保证增益参考天线不被被测天线的反射所照射例如避免靠近被测天线的焦点位置然后转换开关使记录器与被测天线相连接被测天线的位置应使其主轴方向指向源天线将衰减器调至所希望的值上并记录读数衰减器须再调整直到很小最好为零此时被测天线的增益由式给出该方程与前面的方程不同之处在于它的各个量是用分贝表示的式中参考天线的增益衰减器读数加记录的差值非均匀波前的校准系数衰减器校准误差的修正系数两检波器间灵敏度差异的修正系数用直接校准信号功率的方法测量增益用直接校准信号功率的方法测量增益时可以采用下列两种技术中的任何一种将一已知其等效全向辐射功率绝对值的辐射源作发射在远场测量被测天线接收的信号功率将一已知其绝对功率的信号源连接到被测天线然后在远场测量由已校准的增益参考天线所接收的绝对信号功率图表示第一种情况的典型测量设备配置这两种增益测量技术要求确定辐射源与接收天线之间的传播损耗若距离足够远使接收天线上的入射波基本上是一个平面波前那么传播损耗只是自由空间损耗加传播介质的吸收损耗和或散射损耗自由空间传播损耗大于相当于两副各向同性天线之间的损耗并由式给出式中接收信号的波长辐射源与接收天线孔径之间的距离单位与相同为了避免辐射源的功率接收机增益和传播损耗的变化引起的各种误差测量时对测试电路重复检查校准是必不可少的如果线路的两端是同时控制则采用附加的测量和数据传输装置以及连续监视发射和接收信号功率有助于使误差减至最小另一种配置方法是将一标准信号发生器连接到图中低噪声放大器输入端的定向耦合器上并采用频谱分析仪替代指示器来观察两谱线的相对电平采用上述项方法时测出的被测天线的远区增益可用式确定式中和由条中给出在增益参考点上测出的被测天线相对于各向同性天线的功率增益输入到接收机的功率即图中波导开关的输入功率自由空间的传播损耗传播介质的吸收散射损耗且校准源的功率源天线输入与校准源输出的功率传输比源天线的增益根据天线互易定理此方程式也适用于上述项方法注上面给出的方程式中假如源天线和被测天线的极化在测量所要求的精度范围内相同则极化效率可以假定为若不满足本条件则对于源天线的两个正交极化要进行二次测量而增益则由两次测量的和给出因为其中下标和指源的两个正交极化图中所示标准信号发生器是一部射频信号发生器根据输入到接收机的功率即波导开关输入端的功率来校准指示器如果用射电星代替图中的信标源标准信号发生器可为一校准的噪声源用射电星测量增益使用一颗功率谱流量密度已知的射电星测量增益时可采用两种方法即间接法和直接法天线增益可以在不断开地球站设备的情况下用间接的方法导出见本系列标准第三部分第二节接收系统品质因数测量首先测定值然后再根据本标准第条的方法测定噪声温度这两种测量结果相乘就得出天线增益用直接方