太阳源法测量天线系统G/T值方法研究

习 强，钟军涛

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

近些年来，随着卫星通信、深空探测和遥控遥测技术的发展，根据需求不同研制出了各种口径尺寸的天线，天线系统的增益与接收系统噪声温度之比G/T值是卫星地面站天线一项最重要的性能指标。G/T值越大，就意味着该系统接收性能越好。目前测量系统的G/T值可以采用射电星法、信标塔法、对比法和间接法。采用射电星法是一种比较客观的方法，这种方法一般采用仙后座A、金牛座A和天鹅座A等射电星，这些射电星一般只适合较大口径的天线。但是对于中小口径的天线，由于G/T值较小，测量结果误差较大，测试结果不可信。而对于通常采用的信标塔法，虽然技术成熟但是需要满足远场距离条件，即收发天线之间的距离R≥2D2/λ(其中D为天线口径，λ为工作波长)，如 S波段12 m天线最小测试距离为2.21 km，而有些卫星地面站的建设受环境影响，难以满足这一远场条件。因此为了克服上述两种方法的局限性，需要寻求一种新的G/T值的测量方法［1］。

太阳是一个频谱丰富且流量足够大的强辐射源，其电磁波长为1 mm～20 m。因此可以将太阳当作一个宽频段信号源，只要工作频率处于此频段内的天线，均可以采用太阳作为辐射源进行天线系统G/T 值的测量［1，2］。

本文给出了利用太阳源测量天线G/T值的原理和方法，结合实际工程项目给出了太阳源法的测量结果，通过与信标塔法相比较，验证了该方法实际可行。

1 太阳源法测量原理

利用太阳测量S频段天线的G/T值的原理框图如图1所示。

图1 太阳源法测量G/T值方法

太阳源法测量天线G/T值的基本原理是:利用太阳作为信号源，采用Y因子法进行测量，首先分别测量出天线指向太阳和冷空时的噪声功率谱密度，计算二者之差得到Y因子大小，由此计算出天线的G/T值。

射电星法测量G/T值的基本公式为:

式中，Yn为天线指向太阳与指向冷空时接收机输出的功率谱密度之差;k为波尔兹曼常数，k=1.380622×10－23J/K;λ为测量频率的波长(m);S为射电星在所测频率的通量密度(Wm－2Hz－1);K1为大气吸收衰减因子;K2为波束修正因子［3－5］。

实际测试中，一般要求G/T值测试5°仰角时的G/T值，所以对式(1)要进行修正，如下式:

式中，D为天线对冷空与对5°仰角时接收机输出的噪声谱密度之差。

2 太阳源法的测试方法

利用太阳源法测量天线G/T值时，按照如下步骤进行［6，7］:

①如图1所示连接设备和测试仪器;

②根据天线的经纬度和高程计算出某时刻天线对准太阳的方位角和俯仰角，其计算方法参见文献［7］;

③利用ACU驱动天线对准太阳，记下此时频谱仪测量的系统输出的功率谱密度Φ1和天线的仰角el;

④将天线方位角偏开太阳20°，俯仰角保持不变，记下此时频谱仪测量的系统输出的功率谱密度Φ2;

⑤将天线俯仰角设置为5°，在方位上指向一个比较空旷的空域，记下此时频谱仪测量的系统输出的功率谱密度Φ3;

⑥ 计算Yn=Φ1－Φ2，D=Φ3－Φ2，并根据式(2)计算出天线的G/T值。

由式(2)可知，要想求出天线的G/T值，需要计算出大气衰减因子K1、波束修正因子K2和太阳辐射通量，下面分别介绍各参数的计算方法［8］。

2.1 大气吸收衰减修正

大气吸收衰减因子可以表示为:

式中，Ag=0.035 dB(在S波段);el表示对太阳的仰角。

2.2 波束修正

由于太阳的张角约为0.533°，在测量中型天线时要进行修正，修正公式为:

式中，HPBW为天线的波束宽度，天线的波束宽度可以从天线的方向图上测量出来，在要求精度不高时也可以根据经验公式计算得到:HPBW=67.5×λ/Dant，λ为波长;Dant为所测天线的口径。严格地说，式(4)在HPBW≥(0.533/HPBW)≤1时才是正确的，但实际经验证明，此式可用至(0.533/HPBW)≤1.2，此时测量误差为±2.1%。

2.3 太阳的辐射通量

3 使用条件

利用太阳法测量天线的G/T值虽然精度高，但是要想得到理想的测试结果，也要严格满足这种方法的使用条件，否则也会导致测量结果误差过大。根据工程实际测量经验［9－12］，这些使用条件如下:

①天线的G/T值要大于16 dB;

②天线波束宽度满足波束修正的限制条件;

③保证天线对准太阳，可通过天线所处大地坐标和天文星历数据获得某一时刻太阳相对地球表面某一坐标点的相对位置;也可通过肉眼观察天线馈源在天线面上的投影来确保天线对准太阳;

④确保天线轴角编码器经过精确校对;

⑤能得到天文台当天观测到的太阳辐射的通量密度;

⑥ 太阳的仰角最少在10°以上，最好大于30°;

七夕，“为牛庆生”教你在情感中学会感恩。相传，古时儿童会在七夕之日采摘野花挂在牛角上，又叫“贺牛生日”。因为传说西王母用天河把牛郎织女分开后，老牛为了让牛郎能够跨越天河见到织女，让牛郎把它的皮刨扒下来，驾着它的牛皮去见织女。人们为了纪念老牛的牺牲精神，便有了“为牛庆生”的习俗。学会感恩彼此，是爱情的另一个真谛，感恩彼此的付出、感恩彼此的守护、感恩双方父母给予我们创造与提供的一切、感恩在我们人生路上给予我们的每一份真诚，这是爱情收获人世间最大幸福、最多祝福的诀窍。

⑦接收机要有足够大的动态，确保接收机在天线对准太阳时不饱和;

⑧被测系统和仪器要预热2 h以上;

⑨注意天气对测量结果的影响，理想的测量条件是晴天、无云、无风或微风。

4 工程测试实例

4.1 测试结果

为了验证太阳源法测量天线系统G/T值的可行性，2009年7月，在测试12 m S频段天线时，根据太阳轨道预报，并通过互联网查询了附近太阳通量密度测试站的测试数据，在仰角为29.4°和32°时通过测量计算出了天线的G/T值。太阳源法计算结果如表1所示。

表1 太阳源法测12 m天线G/T值

同时，用信标塔法做了对比测试，测试结果如表2所示。

表2 信标法与太阳法测量天线G/T值对比

从表2可以看出，用太阳源法测量S频段天线的G/T值与信标塔法的测试结果优于0.2 dB，可以得到可信的结果。

4.2 测试结果分析

根据误差传递公式，G/T值的相对误差可表示为:

从式(6)可以看出，影响G/T值测量误差的因素有太阳辐射的通量密度、大气衰减、波束宽度和Y因子的精度。

太阳辐射的通量密度每天都是变化的，在太阳的平静期，太阳辐射通量密度日变化量约为1×10－21W/m2/Hz，在测量时必须使用天文台观测到的最新数据，比如2009年7月3日的辐射通量密度为在1415 MHz处为 5.5 ×10－21W/m2/Hz，在2695 MHz处为7.4 ×10－21W/m2/Hz。其测量精度按±5%计算，此项引起的误差为±0.2 dB。

大气衰减在10°仰角时修正量约为0.2 dB，仰角大于30°时修正量小于0.08 dB，其所带来的误差可以忽略。

在12 m天线测试中，波束宽度修正因子约为0.7 dB，波束宽度按误差±5%计算，此项引起的误差约为±0.07 dB;用太阳测量G/T值Y因子一般大于17 dB(真值为50)，此项误差可以忽略。

从以上分析得知:其最大的误差来自太阳的辐射通量密度。太阳法测天线的G/T值，其精度优于±0.25 dB。

5 结束语

简述了利用太阳源法测量S频段天线系统G/T值的原理和方法步骤，给出了此方法的使用条件和注意事项。结合工程实例，以S频段天线系统G/T值的测试为例，对太阳源法测量G/T值的方法进行了验证，给出了测试结果。通过与传统信标塔法的测量结果进行对比，测试结果表明，用太阳源法测量S频段天线的G/T值可以获得较高的测量精度，其结果真实可信测量方法简单可行。因此可在S频段中小型天线G/T值的实际工程测量中推广应用。■

［1］秦顺友，许德森.卫星通信地面站天线工程测量技术［M］.北京:人民邮电出版社，2006:88－133.

［2］林昌禄.天线测量技术［M］.成都:成都电讯工程学院出版社，1987:267－301

［3］袁惠仁.天线参数的射电天文测量［M］.北京:电子工业出版社，1987:238－240.

［4］GRIFFITHS H D，LIBERT M.Assessment of a Technique for Measurement of Antenna G/T Using Solar Noise［C］∥IEE Colloquium on Novel Antenna Measurement Techniques，1994:1 －6.

［5］毛乃宏，俱新德.天线测量手册［M］.北京:国防工业出版社，1987:254 －268.

［6］沈民谊，蔡镇远.卫星通信天线、馈源、跟踪系统［M］.北京:人民邮电出版社，1993:120－157.

［7］殷 琪.卫星通信系统测试［M］.北京:人民邮电出版社，1997:62－77.

［8］王小强，秦顺友.利用仙后座A测量16 m天线G/T值及误差分析［J］.无线电工程，2009，39(11):46－48.

［9］银秋华，周建寨.反射面天线增益的快速估算［J］.无线电通信技术，2013，39(4):50 －52.

［10］王迎节，杨社年，聂 磊，等.天线跟踪和控制测量方法分析［J］.无线电通信技术，2011，37(4):31－33.

［11］陈奇波.在G/T值测量中选择射电星的三原则［J］.无线电通信技术，1997，23(1):10 －14.

［12］李 文，马中松.G/T值测试三原则及G/T值测量方法［J］.国外电子测量技术，2011(6):33－36.