GB 11299.12-1989 卫星通信地球站无线电设备测量方法 第三部分 分系统组合测量 第二节 4～6GHz接收系统品质因数(G-T)测量.pdf

1、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三部分分系统组合测量第二节 接收系统品质因数 测量发布 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三部分分系统组合测量第二节 接收系统品质因数 测量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同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三部分分系统组合测量第二节 接收系统品质因数 的测量主题内容与适用范围本标准规定了 地球站接收系统品质因数 的测量方法 一种方法是利用地球站处功率谱流量密度已知的星体并考虑到各参数造成的误差

2、 还给出了一种间接测量方法定义品质因数地球站接收系统的品质因数 为接收天线增益与系统噪声温度之比 归算到天线分系统输出法兰盘处 值通常可由下式表示天线功率增益系统噪声温度值也可归算到接收系统其他地方例如低噪声放大器输入端这时增益和噪声温度都应折算到低噪声放大器输入端但 值保持不变接收系统噪声温度还包括测试点后面各部分产生的噪声温度的贡献注 测量品质因数 时 发射机应以最大额定功率工作 如果发射机工作使接收系统 值下降 那么该下降值在结果中应有所表示射电星射电星是一种微波宇宙噪声功率源 有四颗射电星的特性是已知的其精度足以用来测量 值这四颗星是仙后座 金牛座 天鹅座 和猎户座 附录 参考件中介绍

3、了这 颗星的特性注 月亮和太阳也可作为射电源测量 值标准大气本系列标准第一部分第一节 总则 确定的标准大气条件为温度相对湿度大气压力一般考虑当卫星传输到地面的流量密度给定时品质因数 是决定解调器输入端载噪比的地球站关键参数 因此必须以最高的精度来确定接收系统的 值确定品质因数 的主要方法有两种即直接法和间接法 第一种方法是用射电星直接测量值第二种方法是分别测量接收天线增益和系统噪声温度对于大型天线 一般推荐直接测量法因为它能提供最高精度下文将详述当天线可控制性有限或者所处的位置用任何规定角度都不能很好地看到已知射电星时 就必须采用间接测量法通常在下列条件下测量 值仰角为 到最大工作角度间的任意

4、角频率为接收频带的中心频率以及接近频带边缘的频率规定的极化晴天微风用校准的射电星测量品质因数值作为 因子的函数解析式众所周知射电星发射微波噪声功率 当地球站接收天线指向一射电星时天线接收到的噪声功率增加了下值式中 天线指向射电星时噪声功率的增值测量频率上射电源的功率谱流量密度接收天线的有效面积接收机噪声带宽规定频率上天线的接收增益工作波长上式中出现系数 是因为接收系统的极化方式是给定的 而射电星的极化通常是随机的 当射电星是点源其辐射波通过无衰减大气时 该方程才有效实际上这两项条件都不成立因此方程 必须改成下列形式式中 大气衰减的修正系数与射电源角扩展有关的修正系数假设 为天线指向宇宙源时的总

5、噪声功率而 为天线以相同仰角指向背景天空时的噪声功率那么就有式中包括天空噪声温度在内的接收系统噪声温度根据上述方程品质因数 可以表示成式中 玻耳兹曼常数因子为天线指向宇宙源时接收到的噪声功率和天线以相同仰角指向背景天空时接收到的噪声功率之比 所有其他参数的定义都与前述方程中相同这种方法与分别测量 和 的值来确定 值的方法相比较有一个主要优点就是比值 的确定能用一次相对测量而不是用两次绝对测量所以求出的 值更精确大气衰减的修正系数 是天线仰角接收频率天线的海拔高度大气温度和密率以及湿度的函数方程 中所用的 值可从图 所示的曲线中求出 这些曲线表示标准大气条件下天线位于海平面上频率为最常用频率时

6、随仰角的变化其他因素没有考虑因为他们对 测量值的精度影响不大这些因素有宇宙背景辐射 传播损耗的波动以及地球站海拔高度的影响修正系数 是考虑到射电星体实际上不能当作点源来处理并且天线从非点源星体接收到的噪声功率取决于天线的波束宽度由下式给出式中 射电源的亮度分布归一化天线方向性图以球面度为单位的立体角微分微分立体角 矢径的球面坐标方向以球面度为单位的射电源的立体视角修正系数 取决于天线波束宽度和射电星 图 给出了三种射电星的修正系数与天线半功率波束宽度的关系曲线 附录 中给出了这些曲线的解析式方程 中的功率谱流量密度 不仅取决于选定的射电星 而且还取决于测量 值的频率 附录中给出了每一个射电星各

7、个频率的 值射电星的选择测量 值时射电星的选择主要取决于从天线所处位置能看见射电星的持续时间 通常星体在天空中按圆形轨道移动如果星体的极距它是赤纬的余角 低于地球站的纬度而且星体和地球站在同一半球北半球或南半球 那么整个轨道就位于地平线上面最小仰角 在下中天处由下式给出式中 和 如图 所示对于其他星体 只有一部分轨道在地平线以上 因此这些星体将升起和降落 这样计算出地平面以上的角度才有用任何星体的最大仰角 都在上中天处出理它们有下列三种情况当星体和地球站位于同一半球内且 时就有当星体和地球站位于同一半球内且 时就有当星体和地球站不在同一半球内且 时就有在上中天和下中天处 位移主要是方位的在东大

8、距和西大距处位移主要是俯仰的由于跟踪较容易 因此 在这些位置上进行测量最精确知道得最精确的星体有仙后座 和天鹅座指向方法为了使 因子的测量精度最高就应使对射电源辐射信号的响应最大 即要使天线的射波束与星体的亮度中心对准得最佳指向精度取决于天线可控性最佳指向精度由带有手动装置的程序跟踪装置保证如果地球站没有程序跟踪装置 可用手动控制方法来跟踪星体 使从星体接收到的功率最大测量方法图 表示测量 值的一种简单设备配置 其中 因子是在中频测出的 因此 接收机的全部噪声包括中频噪声 都已考虑 测量前应检查接收机线性使它与希望的测量精度一致用 条叙述的方法跟踪射电星 努力使接收功率保持最大 在这种情况下记

9、录器测出的功率电平 可写成下式式中 接收机和低噪声放大器的总增益天线指向宇宙源时接收机输入端的总噪声功率这种情况下中频为可变衰减器的衰减量然后将天线偏离射电星一角距并以相同仰角指向背景天空 在这种新情况下 为使记录器保持参考电平 需要改变中频可变衰减器的衰减量 若 为新衰减量则有式中 仅当接收机和低噪声放大器为线性时才与前值相同天线以相同仰角指向背景天空时接收机输入端的噪声功率使记录器保持在参考电平 上所需的中频衰减器的新衰减由上式可以求出 因子当接收设备非线性显著时 建议在低噪声放大器后面插入一个仔细校准的射频衰减器求出 因子 在这种情况下只需低噪声放大器是线性的其配置示于图 采用这种方法

10、接收机其他部分的噪声没有考虑在内 因此必须进行修正应当用方程式 到 计算品质因数注 在低噪声放大器后面加一迪克 型辐射计 而不是采用整个接收系统来测定品质因数 就能达到更高的精度误差分析各参数对最坏的总相对误差的影响可由式 来计算就上述射电星而言功率谱流量密度造成的相对误差 约为 左右当仰角减小时修正系数 造成的误差就增大 当仰角为 时误差 约为 当仰角增大时 该值就减小当仰角大于 时该值就可忽略不计不同的宇宙源 造成的误差大不相同而且该误差取决于人们知道的星体亮度分布和天线主波束几何形状的精确程度 尤其困难的是通常天线主波束既不精确地对称于旋转轴 也不是与仰角无关 半功率波束宽度 时 造成的

11、误差通常至少为因子 造成的误差取决于相对误差 和比值 当从星体接收到的功率 与系统噪声功率 相比不够大时 其影响就变得很可观当 小于 时 测量精度就大大下降下表给出了用各射电星精确测量 所要求的最小值 仰角为 但天线波束宽度和亮度分布所确定的修正系数不包括在内射电星 赤经 赤纬 度仙后座金牛座天鹅座猎户座相对误差 取决于测试仪表的不稳定性和校准衰减器的精度 这种不稳定性会造成噪声电平读数的起伏 用一稳定的电路装置能使用这个相对误差并且 那么因子 造成的误差 就不会超过对于高 值的地球站典型误差 约为结果表示法结果应当用分贝绝对温度 来表示要规定的细节当要求进行本项测量时设备技术条件中应包括下列

12、内容采用的射电星及其赤纬要求的频率要求的极化方式测量时所用的仰角环境条件用间接方法测定 值当天线方向可控性有限或者所处的位置用任何规定的角度都不能很好地看见已知射电星时 就需要采用间接方法用这种方法就需要测量接收天线的增益 采用的方法是对天线接收来自已知功率谱流量密度的远区源所辐射的功率进行绝对测量卫星信标可用作远区辐射源另外还需要测量系统噪声温度测量方法见本标准第二部分第二节 天线包括馈源网络 第条参考文献采用说明原文误为图 系数 与天线仰角的关系曲线在海平面上以及标准大气条件下天线半功率波束宽度 分图 系数 和天线半功率波束宽度的函数关系图 确定射电星仰角的术语观察点的垂线 观察点的水平线

13、 射电星的仰角 以度为单位的绝对值 射电星的赤纬以度为单位的绝对值 观察点的纬度 以度为单位的绝对值图 测量 值的设备配置一图 测量 值的设备配置二附录主要射电星的特性参考件下文给出了参考文献 的附录三中叙述的主要射电星的特性 应当注意的是 全会对参考文献 每 年要修订一次仙后座仙后座 辐射的流量每年下降率为年 月 日在 上算出的功率谱流量密度为该射电星的功率谱流量密度还取决于频率式中 时功率谱流量密度 的单位为该方程 画在对数坐标上时是一条直线 其斜率叫做频谱指数 在 频段的中心频率处 年 月 日的功率谱流量密度为 误差约为仙后座 没有明显的极化其亮度分布通常是圆形对称的离中心 的弧形内亮度

14、最大 把仙后座看成一个直径为 的均匀辐射圆盘就能足够精确地求得修正系数 的近似值 用这种假设修正系数 可写成式中 天线半功率波束宽度单位为度当 时上述方程就适用 图 中有一条曲线就是仙后座 的修正系数 与半功率波束宽度的关系曲线天鹅座天鹅座 辐射的流量不随时间而变化 在 上算出的值为 该星体的功率谱流量密度 与频率的关系如下时时换算成 时功率谱流量密度为 误差约为当 时修正系数 为 或近似于但是 如图 所示半功率波束宽度较小时 是不能忽略的 修正曲线是根据这样的假设确定的即天鹅座 的流量分布由两个相距 的点源给出的因此该射电星可以表示为长轴和短轴分别为 和 的椭圆源在卫星线路所用频率上对天鹅座

15、 的结构全部了解清楚之前可认为 是 时的最佳近似值猎户座猎户座 辐射的流量不随时间而变化 在 上算出的值为 该星体采用说明见第 条的参考文献的赤纬小赤道面上使天线方向可控性较小的站能用它但是猎户座 的详细特性还不太清楚 因此修正系数 也不能精确地确定金牛座金牛座 辐射的流量不随时间而变化 在 上算出的值为 误差约为金牛座 的功率谱流量密度 与频率的关系如下式中 的单位为该函数画在对数坐标上为一条直线斜率等于 金牛座 呈现明显的极化特别是在星体的中心 为了避免极化修正 应当用圆极化来进行测量 如果采用线性极化就应在两个正交极化上测量并取测量的平均值为了找到修正系数 的相当精确的近似值 可以把金牛座 简单地看成一个长轴和短轴分别为和 高斯能量分布的椭圆源 在这种情况下修正系数 可写成下式式中 天线半功率波束宽度 单位为度图 给出了金牛座 修正系数 和半功率波束宽度的关系曲线注 任意频率 的功率谱流量密度 可用下式求出式中 频率为 时的功率谱流量密度该射电星的频谱指数附加说明本标准由电子工业部第五十四研究所负责起草