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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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法测量天线增益时可采用下述方法增益与射电星引入的噪声温度的关系式射电星在微波频段内发射噪声功率当地球站的天线指向该星时天线在窄带中接收的噪声功率的增值如式表示式中假定与指向星体的方向偏离不大的方向上背
18、景噪声的影响不变时天线指向射电星与天线指向偏离星体几度相比较接收的噪声功率增值射电星产生的入射功率谱流量密度接收天线的有效面积接收机噪声带宽假定与测量增益时所用频率相比较很小在测量频率上的天线增益相应的波长和是频率的函数但在有限带宽范围内的可认为不变在方程式中出现因子是因为接收天线系统仅响应一个极化而射电星的极化假定是随机的若射电星的极化不是随机的而天线是采用标称的线极化噪声功率值须从天线的两个正交极化测量的平均值得出方程式适用于通过无耗大气辐射的点源射电星一般情况由于这两个条件都不能得到满足因此方程式须修正为如下形式式中大气衰减的修正因子射电源角扩展的修正因子若是射电星在接收系统测量增益参考
19、点上引入的噪声温度的增值以绝对温度表示则可写成式中玻耳兹曼常数天线分系统的增益则由下式给出方程式表明用射电星方法测量只要测定天线指向射电星体时的噪声温度增值就能求出增益噪声温度增值是由测量确定的而式中的所有其他参数都是已知的在式中功率谱采用说明推荐优先采用射电星法测量天线增益流量密度的值取决于所选的射电星和测量增益的频率有关修正因子和的计算以及功率谱流量密度的取值见本系列标准第三部分第二节接收系统品质因数测量射电星的选择和指向技术的选择关于射电星和指向技术的选择见本系列标准第三部分第二节接收系统品质因数测量测量增益的典型设备配置图示出用直接方法精确测量天线增益的设备由三个主要部件组成波导开关部
20、件射频头部件中频检测部件部件包含致冷标准负载例如液态四氟化碳容器致冷参考负载例如液态氮容器控制波导开关它将接收机输入端或者接到被测天线上或者接到致冷标准负载上精密校准的可变波导衰减器和可变波导衰减器这些衰减器通常在室温或近于室温近似的条件下工作电子射频开关将接收机输入点以左右的频率在致冷参考负载和致冷标准负载或者天线分系统的输出法兰盘之间交替转接部件包含低噪声放大器以测量频率为中心频率的窄带滤波器由射频到中频的频率变换器部件包含中频放大器两个同步门电路整流器和两个低通滤波器和比较器网络零指示器任选的记录器为了精确测量重要的是致冷参考负载与致冷标准负载的温度保持不变为此致冷液体是在与当地气压相对
21、应的沸点上应用的典型的同种冷却剂在的压力上的沸点温度如下液太氦液态氮液态四氟化碳沸点温度是测量时液体的纯度以及本地大气压力的函数在测量期间致冷参考负载的温度和衰减器的物理温度需保持不变但它们的数值并不参与计算另一方面必须确定精确的温度差其中是衰减器的温度和是致冷标准负载的温度因为这个温度差出现在增益表达式中见方程式这个温度差通常是通过分别测量每个温度值的方法确定的例如图中用热敏电桥来测量采用的是铂敏感元件热敏电桥还可以用来测量和值并检查在测量过程中它们是否保持不变测试电路的工作原理如下所述在点的温度由式给出式中由衰减器引入的损耗衰减器的物理温度致冷参考负载的温度调整引入损耗可使点温度在和值之间
22、的温度范围内变化在点的噪声温度要根据波导开关的位置而定或是由天线输入噪声功率或者由致冷标准负载确定而且在这两种情况下都由衰减器的温度和衰减器引入的损耗确定当电子开关以左右的频率交替地接在端口或端口时在接收机射频头端口上的噪声功率就在正比于噪声温度与的电平之间交替变化图示出在端口相应的噪声信号波形这种噪声经低噪声放大器放大经过以增益测量频率为中心频率的带通滤波器滤波最后由混频器变换到中频射频带通滤波器的主要用途是为了减少混频器的镜像干扰噪声带宽通常是由中频放大器的带宽决定的变频后噪声信号被送到中频检测部件上如图所示中频噪声信号被加到两个整流器上和它们由与电子开关同步的矩形波信号交替地通断该矩形波
23、信号是由同步设备产生的选通整流器的输出端出现两个独立的噪声信号波形图示出整流器输出端的噪声波形图示出整流器输出端的噪声波形在两个低通滤波器和的输出端出现分别正比于噪声温度和的两个直流电压它们被加到比较器网络上而比较器网络的输出中包含正比温度差的信号测量过程要求调整精密衰减器直到噪声温度和的值相等以保证增益测量的精度与接收机的线性及其指示器的线性无关因为这两者仅用于指示零状态测量方法本条中所采用的符号定义如下见图是致冷标准负载的温度是衰减器的物理温度是参考负载的温度是当天线指向背景天空时的噪声温度是当天线指向射电星时噪声温度的增值是指点的温度是指点的温度是步骤中程序或的衰减器的衰减输入与输出的功
24、率比是步骤中衰减器的衰减输入与输出的功率比是步骤中衰减器的衰减输入与输出的功率比在下列测量方法中假定第一步程序用波导开关将衰减器接到标准负载上衰减器最初调到已知的最小衰减上然后调节衰减器直到接着天线指向射电星且用波导开关将衰减器连接到天线上增加衰减器的衰减而不调节衰减器试图再次得到的状态如果达到条件则在直接进入第二步之前就记下衰减器的衰减量若这个条件不满足则在进行第二步以前就必须采用下面的程序程序衰减器经波导开关再接到标准负载上并重新置于已知的最小衰减上然后增大一个小的量例如重调衰减器直到然后天线仍指向射电星通过波导开关连接到衰减器上再从已知最小值开始增大衰减器的衰减量直到再次实现如果仍不能达
25、到这种状态重复程序的整个过程但每次应使衰减器调节到稍大于前次试验的数值直到满足的条件此时记录衰减器的衰减重要的是衰减器的衰减应当是能实现条件的最小值当第一步程序或已经完成且得到衰减时则第二步用波导开关把可变衰减器连接到天线并使天线指向射电星将衰减器调到一个新的衰减上使在这些条件下第三步用波导开关把可变衰减器连接到天线上并使天线以与第二步相同的仰角指向背景天空将衰减器调至第三个值上使在这种情况下利用方程式和可从下式求出噪声温度的增值因此天线增益由下式给出开关型辐射计测量法条所述方法必须配以程控跟踪才显示出其优越性本条规定一种用开关型辐射计的等待法测量增益其测量设备配置如图所示图中点作为天线分系统
26、的测量归算点为安装测量设备方便在图中之间有一段波导和波导开关在计算天线分系统增益时要扣除之间的插入损耗由式已知用射电星方法测量增益只要测出噪声温度增值就可算出开关型辐射计工作在线性范围时式中分别为定标系统中常温标准负载和冷标准负载的温度分别为接收机接收时记录仪读数分别为天线对准背景天空和射电星时记录仪读数噪声温度增值的测量方法是第一把天线指向预置在计算的射电星运行轨道的某一位置上将图中波导开关接通天线与接收机等待射电星进入并离开天线主波束轴向在记录仪上得一漂移采用说明本条是为适应我国目前实际情况而增加的曲线如图所示第二将波导开关接通定标系统和接收机进行定标见图中曲线第三为了减少随机误差以提高测
27、量精度重复第一第二两步进行多次测量第四将测量值和已知值代入式求得值结果表示法在设备技术条件中规定的增益参考点所测得的天线增益应用分贝表示它是相对于规定频率和极化的各向同性源的分贝数测量的环境条件亦须表明天线噪声温度天线的噪声温度也是评价卫星通信地球站天线性能的指标之一可用辐射计法或因子法测量辐射计法由测量漂移曲线见图就能方便地算出天线分系统的噪声温度式中各符号与式相同值的归算点在天线分系统输出法兰盘处天线噪声温度要归算到初级辐射器的输出端口因此要进行折算假设馈源损耗为值又可写为式的物理意义是由测得的值扣除因馈源损耗而产生的噪声温度便得天线噪声温度因子法接收系统噪声温度的测量可与值同时进行也可以
28、单独进行测量但是要从值测量中求得值还必须先对接收机分系统噪声温度进行测量接收系统噪声温度的测量设备配置见图当波导开关接通热或常温标准负载时接收的噪声功率与波导开关接通天线分系统时接收的噪声功率之比定义为在天线各种仰角测得值便可由式求出值式中值还是一个未知数因此测量之前或在测试之中要先测出值用冷热标准负载并仍用因子法测量值当波导开关接通热或常温标准负载和冷标准负载时所接收的噪声功率之比定义为即由式可得因此由式求得值再用式求得值然后用式求出值最后用式便可求采用说明中此条内容在考虑中现根据我国的实际情况和需要予以充实出值有了值便可由值算出值天线分系统电压驻波比或回波损耗天线分系统的电压驻波比或回波损
29、耗以及由于各种失配造成的损耗的测量见本系列标准第一部分第二节射频范围内的测量如果天线端接的阻抗不同于测量电压驻波比时的阻抗那么就有失配阻抗造成的不确定性除非天线和终端阻抗两者的复数值是已知的该失配值如下式中天线及其终端阻抗即传输线和接收机共同构成的复数反射系数的幅值如果复数反射系数的幅值已知而不知其相位接收的功率电平是不确定的因为其值取决于反射系数的相对相位且在下式给出的最大值和最小值之间变化图天线分系统天线天线分系统馈源网络跟踪接收机馈线发射合路和倒换设备接收分路和倒换设备图与增益参考天线直接比较的增益测量设备配置采用校准的定向耦合器和校准的可变中频衰减器天线增益参考天线冷负载见图开关校准的
30、定向耦合器低噪声放大器测试用低噪声放大器本机振荡器混频器中频放大器校准的可变中频衰减器检波器指示器注测试用低噪声放大器可以是备份低噪声放大器常在备用设备中当远距离源信号强度弱时建议用冷负载图与增益参考天线直接比较的增益测量设备配置采用校准射频衰减器天线增益参考天线低噪声放大器开关校准的射频可变衰减器开关本机振荡器混频器放大器检波器指示器图采用调幅信号直接比较法的增益测量设备配置源天线被测天线同轴馈线功率计低通滤波器射频射频信号发生器调幅器低频信号发生器增益参考天线与馈线匹配的校准检波器低频选放记录器位置参考信号垂直定位器与馈线匹配的精密射频衰减器与馈线匹配的校准检波器匹配装置天线到馈线图直接校
31、准信号功率的增益测量设备配置功率计信标源定向耦合器远距离增益参考天线被测天线开关射频衰减器标准信号发生器见正文低噪声放大器功率计本机振荡器混频器接收机中频衰减器检波器记录器指示器大气吸收注此信标源可用射电星替代图用射电星直接法的增益测量设备配置被测天线天线分系统输出法兰盘波导开关精密波导衰减器电子开关波导衰减器致冷参考负载铂丝温度传感器温度电桥铂丝温度传感器致冷标准负载波导负载低噪声放大器带通滤波器本机振荡器混频器中频放大器同步设备倒相器同步选通整流器低通滤波器同步选通整流器低通滤波器比较器网络零指示器记录器倒相选通器波形选通器波形点处噪声整流器输出处噪声整流器输出处噪声图整流前后噪声信号波形
32、图开关型辐射计测量增益设备配置图测量值漂移曲线示意图图测量天线噪声温度的设备配置附录误差分析补充件从下列表达式可以计算各种参数对总的相对最大误差的影响考虑方程式相对最大误差可以表示为其中和是各相应量在测量时的不确定值式展开得出由表达式算出的相对误差没考虑下列因素在测量期间温度的不稳定性天线和波导元件的残余失配调节温度等于时的不确定性为了求出温度的不稳定性造成的误差影响方程式和需重新调整如下其中都是值的变化这种变化发生在与式和或有关的测量之间由方程式可以求出噪声温度增值而和用式的表示法给出其中和分别表示发生在与式和或有关的测量之间的和值的变化用方程式展开方程式给出方程式则要增加误差项它由下式给出
33、其中和由方程式求得要确定适用于每一种情况的校正项是不可能的因为在波导开关部件中所发生的各种功率反射取决于实现图的测量设备所用的实际结构为了说明测定失配修正因子所需的方法噪声温度增值的表达式是根据下列假设确定的反射功率只取决于波导开关标准负载和天线之间的失配而衰减器和电子开关假定是完全匹配的根据上述假定方程式和变为其中是波导开关接通标准负载时的反射系数而是波导开关接通天线时的反射系数从方程式和可导出噪声温度增值的表达式方程式仅是一例当考虑失配影响时必须确定噪声温度增值在每一情况下的精确表达式另外在调整等于时不确定性取决于显示器误差和接收机灵敏度而后者正比于其中是显示器的时间常数为了说明方程式中各
34、因素造成的总相对误差可以考虑对于条中给定的射电星由功率谱流量密度引入的相对误差约为当仰角变小时修正因子造成的误差就增大在最坏的情况下仰角误差约为误差也约为从方程式计算的绝对误差可认为约该数值必须加上由值的不稳定性造成的误差项约为由残余失配造成的误差项采用回波损耗优于的测试电路时其值约为由读数误差造成的误差项约为由接收机造成的误差约为最后总的绝对误差可保持在左右对增益约为的地球站天线噪声温度增值平均为因此在最坏情况下相对误差为左右考虑引用各条的数值采用射电星方法总的相对误差大约为附录增益测量精度补充件在所有增益测量方法中限制精度的基本因素是环境温度的稳定性接收的信噪比辐射源的电平变化接收设备中增
35、益的变化测试路径的传播特性的变化接收设备的非线性传输线与无源元件的衰减测量精度分系统噪声温度的不稳定性已知参考信号发生器功率的精确程度观察者的读数误差在直接比较方法中以及在直接校准法的某些方面增益参考天线的校准精度是限制测量精度的主要因素在直接校准法中已知传播路径损耗的精确程度等效全向辐射功率的校准精度和检测器校准精度是限制测量精度的基本因素在某种程度上还将有残余误差存在这是因为对指向不准极化失配波前在被测天线孔径上的非均匀性以及信号干扰的不适当修正造成的通过定向耦合器的功率传输校准精度可确定在以内传输线损耗可校准在每分贝以内计算传输线功率损耗时也须包括阻抗失配为了决定极化效率必须知道每一部天
36、线的轴向极化特性以及从远区辐射源接收到的场强的极化特性见条对接收波前不均匀性的修正因子是最难精确确定的这种不均匀性有两种主要原因其一辐射源离被测天线太近其二天线前方的以及直接传播路径附近的障碍物可使辐射源来的信号产生二次散射例如从位于主轴上的辐射源发出的射线到达孔径中心与到达离中心距离为的孔径平面上的射线之间的路径长度之差为其中是天线孔径中心与辐射源之间的距离若远大于于是结果在孔径平面上产生滞后的二次相位误差孔径边缘处的峰值相对误差为弧度实际上通常把圆孔径天线的远区距离视为式中工作波长圆孔径的直径单位与和的单位相同即使在这个距离上从辐射源到天线孔径的中心的射线与从辐射源到天线孔径的边缘的射线之
37、间的路径差仍达从而使入射波前的相位偏移达注在许多情况下为测试方便起见采用比远区距离近得多的辐射源此时增益或损耗因子可变得十分大在这种情况下常故意使天线从远区设计结构偏焦使它产生的相位误差与辐射源靠近时产生的相位误差近似大小相等符号相反实际上由近区辐射源所产生的相位误差是不可能完全抵消的对于大多数大型反射器天线方程式中的两个修正因子有一些小于的值常比更接近于因为增益参考天线的直径通常小于被测天线的直径适用于下述被测天线的工作增益该天线馈源沿轴线向主反射器移动一段算定的距离使天线对远区聚焦对于双反射器天线也有相似方法在测试中将副反射器作轴向移动以便在短距离测试时实现最佳聚焦对典型的高增益双反射器天
38、线推荐用这个方法而不是移动馈源因为初级馈源需要作大的移动随之而来的是馈源对副反射器照射带来大变化为了再次聚焦到无限远处双反射器天线的副反射器向主反射器作轴向移动这种方法对副反射器是凹的或凸的天线都适用需注意测试距离越短移动副反射器的精度要求就越高因为相位误差的增大要用聚焦的方法校正而且聚焦到无限大时的天线几何形状与测试场条件下聚焦的情况是不相同的所以反射器的照射和一次二次辐射器上的绕射都有小的变化因此在短测试场内对单或双反射器天线的测量就将导致再聚焦后从测得值所计算出的那些值的不确定性附录大型地球站天线交叉极化鉴别率的测量补充件适用范围本补充件叙述大型地球站天线交叉极化鉴别率的测量并给出一种可
39、替代本系列标准第二部分第二节条的方法一般考虑本标准正文所叙述的交叉极化鉴别率的测量方法不适用于大型地球站天线因为难以做到把源天线置于远区并使测试场内的反射可以忽略在这种情况下通常采用卫星源法这种简单的测试方法仅取决于相对功率电平的测量就能达到可接受的精度由于这种方法简单几乎完全可用于目前正在工作的卫星系统所以卫星源法测量交叉极化鉴别率就成了一种优先选用的方法注天线的交叉极化鉴别率最少应在覆盖跟踪波束宽度的角度范围内进行测量此外由于交叉极化随频率而变故测量应在收发带宽内进行应注意当利用卫星时应核对极化的方向能够进行测试的频率还可能受到限制测量方法为使地球站能在射频闭路条件下进行测量卫星必须工作而
40、且测量设备配置应允许分别在收发条件下测量天线的交叉极化鉴别率优先推荐的测量设备配置如图所示地球站向卫星发射一个未调制的连续波射频信号并由地球站接收闭路返回信号用频谱分析仪测量所接收的信号功率电平如果有可调的下变频器则频谱分析仪可连接到下变频器中频输出端传输参数应处于如下状态卫星和地球站都工作在其传输特性的线性范围内卫星必须工作在这样的方式上仅同极化传输信号能通过转发器地球站的等效全向辐射功率和频谱分析仪的测量带宽应当使得对于同极化测量载噪比不低于对于线极化系统在交叉极化方式发射时应调整极化其方法是通过旋转地球站极化器以获得最佳零值状态极化器装置应保持在这种位置发射时的交叉极化鉴别率通过高功放向
41、卫星发射同极化载波并在闭路返回的基础上通过低噪声放大器测量所接收到的载波功率电平然后地球站以正交极化方式通过高功放发射同样的功率其后测量通过低噪声放大器所接收的交叉极化载波分量两次测量的功率比以分贝表示就是发射的交叉极化鉴别率接收时交叉极化鉴别率采用说明来源于通过高功放向卫星发射同极化载波并在闭路返回的基础上分别通过低噪声放大器和测量所接收的同极化和交叉极化分量的功率在正交模变换器每个接收端口各进行一次测量这两次测量之间的功率比以分贝表示就是接收时的交叉极化鉴别率结果表示法测量的发射和接收交叉极化鉴别率应以分贝表示并对每个测量频率列成表格的形式还应表明在测量时规定偏离波束中心的角度范围要规定的
42、细节当要求本项测量时在设备技术条件中应包含下列内容进行测量的频率范围极化方式线极化或圆极化进行测量时规定偏离波束中心的角度范围容许的最小交叉极化鉴别率附录大型地球站天线交叉极化鉴别率的测量精度补充件概要当利用非理想源卫星时双正交极化天线的各有关端口之间的交叉极化鉴别率它是地球站天线轴比卫星天线轴比和两极化椭圆长轴之间倾角差的函数这可用下例方程说明其中方程是对于圆极化方程是对于线极化式中测量的交叉极化鉴别率地球站天线的电压轴比卫星天线的电压轴比两极化椭圆长轴之间的倾角差方程和可以由交叉极化鉴别率的基本定义式导出同极化的功率交叉极化的功率其中为极化效率见条圆极化和线极化是椭圆极化的极限情况实际上当
43、轴比接近时就称为圆极化当轴比非常大时趋于无穷大称为线极化为清楚起见方程和没有统一的形式对于圆极化发射和接收天线两者的极化旋转方向采用说明来源于总是相同的可是对于线极化由于极化方向不总是知道的故方程中必须包括正负号当发射和接收天线具有相同极化方向时取上面的符号当发射和接收天线极化方向不同时取下面的符号误差源测量误差的主要来源是在线极化情况下当轴比非常大时由于方程中双重符号的不确定性引起的误差将变小对于线极化天线通过旋转地球站的极化器于最佳对准位置能够清除倾角差对于圆极化天线除非进行相位测量否则倾角将引起测量的不确定性当两天线交叉极化鉴别率很大时例如倍或则地球站天线的交叉极化鉴别率可在下式范围之内式中地球站天线的交叉极化鉴别率卫星天线的交叉极化鉴别率测量的交叉极化鉴别率例如如果卫星天线的交叉极化鉴别率为测量值为则地球站天线的交叉极化鉴别率就可假定在和之间测量精度将随着卫星天线的交叉极化鉴别率增大而提高图利用一颗业务卫星测量交叉极化鉴别率的典型设备配置附加说明本标准由电子工业部第五十四研究所负责起草
