有源相控阵天线G-T测量及误差分析

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

Antenna

REN Ji-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 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 is 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[1][2][3]。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[5][6]。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。

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R≥2D2/λ（D为待测天线最大尺寸，λ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]：

RF

P

net

S

t

L

L

GG

G

P

C （1) 式中：

相控阵天线

标准天线

R

C —频谱仪测量的载波功率；

P t —标准增益喇叭天线的发射功率； G S —标准增益喇叭天线的增益； G —待测有源相控阵天线的增益； G net —有源相控阵天线网络的总增益； L P —自由空间的传播损耗；

L RF —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喇叭的发射信号），则频谱分析仪测量的噪声功率N 为：

RF

net

L kTBG N = （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：

T

G

kB L G P N C P S t = （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：

S t P G P B L N

C

T G --+++-=6.228 （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N 0，则G/T 值与归一化载噪比C /N 0的关系为：

S t P G P L N C T G --++-=0

6.228 （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L pol 为[8]：

()

10101log 10AR pol L -+⨯= （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 ±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 -0.05 G/T 测量的均方根误差

±0.422

3 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：