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（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

衛(wèi)星通信地球站G/T的測量方法*

秦?zé)ǘ?，婁景藝，屈曉?/p>

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

地球站的品質(zhì)因數(shù)（G/T值）是衛(wèi)星通信系統(tǒng)中十分重要的指標(biāo)，而設(shè)備在使用過程中隨著器件的老化，G/T值會逐漸下降。因此，需要一種簡單易行的地球站G/T值測試方法，以便使用者掌握設(shè)備狀態(tài)。以G/T值為例，研究衛(wèi)星通信地球站射頻效能標(biāo)定方法，并基于衛(wèi)星便攜站和頻譜儀搭建典型系統(tǒng)，運用直接法測量天線的G/T值。實驗結(jié)果表明，考慮到各種誤差因素在內(nèi)，G/T值的誤差在1 dB/K左右，說明此方法很好地驗證了天線G/T值標(biāo)定方法的可行性。

衛(wèi)星通信；地球站；射頻指標(biāo)；品質(zhì)因數(shù)

0　引 言

衛(wèi)星通信具有容量大、成本低、抗干擾性能強、覆蓋面積廣、通信距離遠等優(yōu)良特點，已成為艦船通信的重要手段。地球站包含很多射頻指標(biāo)[1]，有些指標(biāo)在使用過程中會逐漸下降而需要標(biāo)校，有些指標(biāo)很長時間不會發(fā)生變化。為了更好地維護和保養(yǎng)地球站，就要對地球站的射頻指標(biāo)進行學(xué)習(xí)，需要解析衛(wèi)星通信地球站射頻指標(biāo)對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的影響，以及針對這些指標(biāo)的標(biāo)定方法。目前，衡量地球站射頻性能的主要技術(shù)指標(biāo)有天線增益、波束寬度、等效全向輻射功率（EIRP）、饋線損耗、1 dB壓縮點輸出功率、等效噪聲溫度和噪聲系數(shù)、接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)（G/T）等。

表1是地球站各個射頻指標(biāo)對通信系統(tǒng)的影響。如表1所示，接收系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)的變化對通信系統(tǒng)會有很大影響。通常，將接收天線增益與接收系統(tǒng)總的等效噪聲溫度之比G/T的分貝值，定義為接收系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)。這是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，也是IntelSat組織對地球站進行分類的主要依據(jù)之一。

表1　地球站射頻性能指標(biāo)

1　品質(zhì)因數(shù)（G/T）的測量

式中，G表示折算到低噪放入口的天線增益，T表示參考點處的系統(tǒng)等效噪聲溫度。Tα,Tr則分別表示將低噪放前端的天線、饋線的噪聲溫度和低噪放后各設(shè)備的噪聲溫度都折算到參考點后的值。TLNA是低噪放的噪聲溫度。三者之和即為接收系統(tǒng)的等效噪聲溫度。

本文主要采用直接法來測量地球站的品質(zhì)因數(shù)G/T。下面將直接法測量品質(zhì)因數(shù)作簡要介紹。

1.1品質(zhì)因數(shù)

地球站品質(zhì)因數(shù)G/T值[2]是天線系統(tǒng)的增益與接收系統(tǒng)噪聲溫度之比，用dB表示為天線系統(tǒng)的增益與接收系統(tǒng)的系統(tǒng)噪聲溫度之差。它是衛(wèi)星地球站重要的技術(shù)指標(biāo)之一，也是衡量地球站靈敏度的質(zhì)量指標(biāo)和地球站分類標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，同時也是衛(wèi)星地球站入網(wǎng)的強制性指標(biāo)。衛(wèi)星通信地球站G/T值是衡量地球站接收系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，是衛(wèi)星通信線路設(shè)計的重要依據(jù)之一，也是地球站系統(tǒng)進入Intelsat網(wǎng)的強制性測試項目之一。在國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為保證一定的通信質(zhì)量并能有效利用衛(wèi)星功率，對標(biāo)準(zhǔn)地球站的性能有明確規(guī)定。對于衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)而言，唯一決定載噪比大小的就是G/T值。G/T值越大，載噪比越高，表明地球站接收來自衛(wèi)星信號的能力越強。

G/T值的測量一般有直接法和間接法。直接法是利用射電天文法[3]直接測得G/T值，間接法[2]為分別測得地球站接收系統(tǒng)的增益值G和噪聲溫度T，再由二者得到G/T值。本文將采用直接法測量。

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，影響衛(wèi)星通信的各種誤差因子均可精確計算，那么就可以利用載噪比法直接測量G/T值[4]。在計算G/T值時，通常將低噪聲放大器的入口作為參考點：

1.2測試原理

該方法是遠場法的一種，需要滿足遠場測試條件[5]。眾所周知，遠場法中收發(fā)天線之間的距離R≥2D2/λ。其次，要求測試地點空曠，無障礙物遮擋，以提高信號的接受質(zhì)量。最后，還要求收發(fā)天線要架設(shè)得高，以減少地面反射和周圍環(huán)境對測量的影響。

測量時不僅簡單、方便，而且具有如下特點：

（1）利用衛(wèi)星源法直接測量地球站G/T值，滿足遠場測試條件；

（2）測量是在地球站天線工作條件下進行的，因此測量的G/T值為地球站系統(tǒng)的工作G/T值；

（3）使地面建筑物、環(huán)境等引起的多重反射對測試結(jié)果的影響最小化；

（4）可進行重復(fù)測量。

圖1為直接法測試品質(zhì)因數(shù)的簡易框圖。

圖1　直接法測試品質(zhì)因數(shù)

測試步驟如下：

（1）按圖連接設(shè)備，使系統(tǒng)設(shè)備工作正常；

（2）依據(jù)給定的測試頻率、極化及EIRP，由輔助站發(fā)射一個未調(diào)制的單載波（若利用衛(wèi)星信標(biāo)，無需輔助站發(fā)射單載波），使待測站天線對準(zhǔn)衛(wèi)星；

（3）調(diào)整待測天線極化，使之與衛(wèi)星極化相匹配。此時，頻譜儀接收的衛(wèi)星信號為最大。根據(jù)功率傳輸方程，可得頻譜儀測量的載波加噪聲的功率C+N可表示為：

式中，EIRP為衛(wèi)星的等效各向同性輻射功率；G為地球站天線的接收增益；Lp為自由空間傳播損耗，Lp=(4πd/λ)2；d為地球站到衛(wèi)星的距離，φ為地球站的緯度；Δλ為衛(wèi)星經(jīng)度與地球站經(jīng)度的差；λ為工作波長；H為星下點至衛(wèi)星的距離（35 860 km）；R為地球的半徑（6 373 km）。

（4）讓待測天線偏離5°以上，使頻譜儀接收不到衛(wèi)星信號，從而保證衛(wèi)星噪聲的測量。此時，頻譜儀接收的總噪聲功率N可表示為：

由此可以得出：

于是，可得地球站的G/T值：

用分貝表示：

式中，k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；T為接收系統(tǒng)的噪聲溫度；B為頻譜儀的噪聲帶寬，為B=1.2a*(Rb/FEC)。

根據(jù)所得數(shù)據(jù)，可計算得出G/T值。其中，EIRP為等效全向輻射功率[5]，表示一個定向天線在其最大輻射方向上輻射的功率，定義為高功放饋送給天線的功率PT與GT定向天線增益的乘積，即EIRP=PTGT。在實際的地球站發(fā)射系統(tǒng)中，高功放與天線之間有一段饋線。設(shè)該饋線損耗為LT，則EIRP=P*GT/LT。式中，P為高功放輸出功率。

一般情況下，利用場地法進行地球站系統(tǒng)EIRP的測量。本文對EIRP的測量不做贅述，具體測量方法可參考文獻[5]。

論文利用本單位現(xiàn)有的簡單裝備（衛(wèi)星便攜站）對天線的品質(zhì)因數(shù)進行測量。測得測試點經(jīng)緯度為（λ114°14’21”E，ρ30°35’11”N），便攜站所對衛(wèi)星信標(biāo)頻率為960 MHz。

測量時可根據(jù)測試點的經(jīng)緯度，由式（6）計算得出對準(zhǔn)衛(wèi)星所需的方位角和俯仰角。按照使用手冊將便攜站安裝完畢，在全部安裝完成后，全面檢查確認所有安裝與連接，保證準(zhǔn)確無誤。

1.3測試步驟

（1）安裝完成后，開啟電源，并將信道設(shè)備設(shè)置到對星狀態(tài)所需的方位角和俯仰角。

①利用磁羅盤，根據(jù)提供的衛(wèi)星方位角，輕輕移動天線基座，使天線基座軸線方向與衛(wèi)星方位角方向重合（誤差不大于±5°）。

②調(diào)整天線基座兩個輔助支撐腳，使其與天線基座三者之間大約構(gòu)成120°的夾角。調(diào)節(jié)輔助支撐腳調(diào)平裝置，將天線基座支撐平穩(wěn)。

③將磁羅盤仰角指針調(diào)整到衛(wèi)星的仰角度數(shù)上，并置于天線波束指向基準(zhǔn)處，通過調(diào)整天線仰角調(diào)節(jié)桿，校準(zhǔn)天線仰角（水泡移至中央位置），然后鎖定。

④松開饋源極化固定螺絲，調(diào)整天線饋源的極化偏角。

⑤松開方位鎖定旋鈕，將天線指向在基座軸線方向大約10°左右范圍內(nèi)來回搜索，同時觀察液晶顯示屏上顯示“Eb/N0=**dB”值的變化。

⑥若液晶屏上顯示Eb/N0=00 dB，則微調(diào)天線仰角調(diào)節(jié)桿5圈（仰角變化約1°），重復(fù)步驟⑤；若沒有，則朝另一個方向旋轉(zhuǎn)天線仰角調(diào)節(jié)桿10圈，再重復(fù)步驟⑤，直到有信號為止。

⑦Eb/N0顯示值出現(xiàn)變化后，慢慢調(diào)節(jié)方位，信號最大時鎖定方位；微調(diào)仰角，信號最大后鎖定仰角，再微調(diào)方位。如此反復(fù)，直到信號最大為止。

⑧鎖定好天線的方位和仰角后，再微調(diào)天線的極化偏角，使接收信號最大。至此，天線對星完畢。

⑨將信道設(shè)備恢復(fù)到通信狀態(tài)。

（2）連接射頻電纜

將標(biāo)注為“接收射頻入”電纜的一頭接到便攜站前面板上標(biāo)明“射頻入”的接口上，另一頭連接到LNB口；將標(biāo)注為“發(fā)送射頻出”的電纜的一頭接到便攜站前面板上標(biāo)明“射頻出”的接口上，另一頭連接到HNB口。

如果用Ku波段衛(wèi)星通信便攜站對星較為困難，也可連接好頻譜儀，通過頻譜儀顯示信號強度，對天線的俯仰角和方位角進行微調(diào)。當(dāng)信號強度達到最大時，固定好天線，此時對星完畢。

（3）連接頻譜儀

將頻譜儀電源線接上，將饋源輸出端口與頻譜儀相連。當(dāng)天線正對衛(wèi)星時，得到最大信號頻率，此時輸入信標(biāo)頻率，通過微調(diào)，找到信標(biāo)，紅點處即是信標(biāo)。通過將天線左右擺動，頻率強度會產(chǎn)生變化，每轉(zhuǎn)1°記錄一次強度，左右各擺動5°，通過所記錄數(shù)據(jù)可畫出天線方向圖。

（4）測量天線載波噪聲頻譜圖

將頻譜儀調(diào)到載波頻譜，調(diào)整出適當(dāng)?shù)念l寬。

2　測試結(jié)果

當(dāng)對準(zhǔn)衛(wèi)星后，可在頻譜分析儀上讀出收到信號的強度為-58.96 dBm，信標(biāo)頻率為960 MHz。

調(diào)整天線方位角，可測得天線偏離衛(wèi)星的角度及頻譜分析儀上的信號強度，如表2所示。

在進行實驗時，當(dāng)天線左右偏離衛(wèi)星5°以上時，頻譜儀接收到的信號強度變得很小，故基本可以認為此時天線已經(jīng)偏離衛(wèi)星。

表2　天線偏離方位角及幅度

（以對準(zhǔn)衛(wèi)星為0°，向北偏離為正，向南偏離為負）

以A為基準(zhǔn)線（由于最終處理數(shù)據(jù)時會以dB形式顯示，故而A會被消去，所以A可為任意值），對天線載波頻譜圖中載波段進行積分，可得到：

通過對頻譜圖噪聲段進行積分，可得出：

通過載噪比直接法[7]相關(guān)公式，可知：

經(jīng)查，衛(wèi)星的等效各向同性輻射功率EIRP= 39.5 dBW，波爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K，代入可得出地球站G/T值：

換算成dB形式：

故所測得G/T值為27.39 dB/K，基本與實際相符。

3　測量精度研究

為了精確測量天線的品質(zhì)因數(shù)，必須把各種誤差因子考慮在內(nèi)，應(yīng)考慮各種誤差修正對測量結(jié)果的影響。這些誤差因素主要有大氣吸收衰減La、極化衰減Lm、地貌修正因子As、指向誤差引起的損失Lpo。考慮到誤差因素在內(nèi)，則品質(zhì)因數(shù)G/T值測量的精確計算公式[7]為：

3.1大氣吸收衰減

工程上為了計算簡便，我們依據(jù)SSOG210給出的大氣吸收衰減曲線進行數(shù)據(jù)分析，得出衛(wèi)星通信C波段和Ku波段大氣吸收衰減的近似公式：

式中EL為天線的仰角。

3.2極化衰減

在測量過程中，首先是天線對準(zhǔn)衛(wèi)星，在對星準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上再仔細調(diào)整天線極化與衛(wèi)星極化匹配，以此接收到最大信號強度。因此，接收天線極化與衛(wèi)星極化傾角之差可調(diào)整在1°范圍內(nèi)，由此引起的誤差為-0.001 3 dB，于是由極化引起的衰減Lm通常可以忽略不計。

3.3地貌修正因子

在實際G/T的測量中，要求天氣晴天、微風(fēng)，因此不考慮降雨的影響。于是，下行地貌修正因子為：

式中，ΔEIRP為衛(wèi)星等效各向同性輻射功率的差值；ΔLp為下行自由空間傳播損耗的差值；ΔLa為大氣吸收衰減的差值；ΔLm為極化損失的差值；ΔTo為下行噪聲的差值。

測量地貌修正因子比較復(fù)雜，一般在測量時，衛(wèi)星的EIRP、下行自由空間損耗Lp和地貌修正因子As由輔助站提供。

3.4指向誤差

由于天線指向誤差Δθ產(chǎn)生增益誤差損失，從而引起測量誤差。天線指向誤差Lpo：

式中，θ0是天線的半功率波束寬度，且：

將式（17）代入式（16），可得：

本次測量衛(wèi)星經(jīng)度為東經(jīng)125°，本地經(jīng)度為東經(jīng)114°14’21”，北緯30°35’11”，計算可得對準(zhǔn)衛(wèi)星所需的方位角為南偏東20.48°，俯仰角為52.46°。代入式（14），可得：

將式（19）、式（20）、式（21）和式（22）代入式（13），可以得到：

4　結(jié) 語

本文基于衛(wèi)星便攜站和頻譜儀搭建典型系統(tǒng)，運用載噪比直接法測量天線品質(zhì)因數(shù)G/T，實現(xiàn)了G/T的測量，驗證了天線G/T值標(biāo)定方法的可行性，并對影響品質(zhì)因數(shù)的各種誤差因素進行了分析。考慮到各種誤差因素在內(nèi)，誤差為1 dB/K左右，在允許范圍之內(nèi)?？梢姡朔椒ê喴卓尚?，具有很強的實用性。

[1] 甘仲民.衛(wèi)星通信地球站收發(fā)射頻設(shè)備技術(shù)性能指標(biāo)淺釋(一)——衛(wèi)星通信地球站及射頻總體性能指標(biāo)淺釋[J].數(shù)字通信世界,2014(11):01-04. GAN Zhong-min.Introduction of Technical Performance Specification for Receving-Transmitting RF Equipment of a Satellite Communications Earth Station(Part 1)--Introduction of Satellite Communications Earth Station and System Performance Specification[J].Digital Communication World,2014(11):01-04.

[2] 張竹恒.地球站G/T值的測量[J].時間頻率學(xué)報, 2008,31(02):138-140. ZHANG Zhu-heng.Measurement of G/T for Earth Stations[J].Journal of Time and Frequency,2008, 31(02):138-140.

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[4] QIN Shun-you.Measurement the GT Value of the Earth Station Using Carrier to Noise Ratio Direct Method[A]. Proceedings of the Fourth International Symposium on Antenna and EM Theory[C].Xi'an,1997:44-47.

[5] 王小強,秦順友,王俊義.地球站最大EIRP的測量及誤差分析[J].無線電工程,2008,38(09):47-48. WANG Xiao-qiang,Qin Shun-you,Wang Jun-yi. Measurement and Error Analysis for Earth Station Maximum EIRP[J].Radio Engineering,2008, 38(09):47-48.

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秦?zé)ǘ。?992—），男，碩士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星通信；

婁景藝（1979—），女，博士，副教授，主要研究方向為衛(wèi)星通信、數(shù)字信號處理；

屈曉旭（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向為數(shù)字通信、無線通信。

G/T Value Measurement of Satellite Communication Earth Station

QIN Huan-ding, LOU Jing-yi, QU Xiao-xu
(College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei 430033,China)

The G/T value of earth station is a very important index in satellite communication system , and the antenna parameters would decline while the devices become ageing.Therefore,it is necessary to design a simple and easy method to measure G/T value of the earth station,and the user could thus know well the device condition.With G/T value measurement as an example,the calibration method of RF performance for satellite communication earth station rf performance is explored, and based on the typical system built up with satellite portable equipment and spectrometer, the antenna G/T value is measured with direct method. Experiment verifies that the error of G/T is about 1dB/K in consideration of various error factors.The result indicates that this method is simple and easy for measurement of antenna G/T value.

satellite communication;earth station;RF indicator;G/T

V556

A

1002-0802(2016)-08-01078-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.08.023

2016-04-21;

2016-07-22

date:2016-04-21;Revised date:2016-07-22