射电阵列天线和接收机性能综合测试方法*

姬国枢，王 威，2，刘东浩，2，李 沙，2

(1.中国科学院国家天文台，北京 100012;2.中国科学院太阳活动重点实验室，北京 100012)

1 Y系数法及改进

天线生产厂在射电望远镜安装现场测试天线增益及噪声温度常用Y系数法，其原理如图1。

Y系数法的步骤是先测量接收系统GA/TS，再测系统噪声温度TS。测GA/TS时，开关连接天线。天线收到太阳的功率密度为P0

式中，S为太阳流量密度;A为天线几何面积;η为天线效率。折算到太阳引起的天线噪声温度TSUN

式中k为波尔兹曼常数，则，

图1 Y系数法测试天线增益及噪声温度原理图Fig.1 Measuring antenna gain and noise temperature using the Y factor method

天线指向太阳，频谱仪记录功率为PSUN(∝(TSUN+TS));天线指向冷空，频谱仪记录功率为PSKY(∝ TS)。

由(3)、(4)式，得到

这就是射电Y系数法测天线增益的标准公式［1］。式中，K1是大气吸收衰减修正因子;K2是太阳面源修正因子，

式中，E是测试时天线仰角，E=65°;d是太阳角直径，d=32';θ0.5是天线半功率点波束宽度，θ0.5=70λ/D［2］为3.33°(1 400 GHz)。求得 K1=0.032 dB，K2=0.032 dB 。因天线指向太阳仰角较大，K1较小，可忽略。因天线半功率点波束宽度较太阳直径大很多，K2较小，可忽略。

测系统噪声温度TS时，开关分别与50 Ω终端、噪声源、冷空相连(天线指向冷空)，频谱仪记录功率分别为P50、PNS、PSKY

TR是测试系统的噪声温度，TR～TLNA。测得GA/TS及 TS后，则天线增益［GA］=［GA/TS］+［TS］(方括号表示dB值)。天线噪声温度［TA］=［TS］－［TLNA］(还需已知或测试TLNA)。

这种测试方法通常是测试员拿一个低噪声放大器、冷热噪声源、微波开关及频谱仪到天线下进行，先到天线上将低噪声放大器、冷热噪声源、微波开关连到天线馈源输出端，低噪声放大器输出端电缆接天线下面的频谱仪。如果利用射电望远镜中的模拟接收机代替测试专用的低噪声放大器，即把模拟接收机看作一个增益较大的低噪声放大器，显然对测试天线性能与上述方法效果一样。

如果直接用频谱仪读数，不求两次微波开关连接测试的比值，即不求Y系数，在下一节可以看到，这种在测试结构及处理数据方法的小小改进即能测出天线性能，又能测出接收机性能，即可以得到GA、TA、GR、TR。接收机增益及噪声系数在现场很难测，这种方法解决了这个难题。

2 天线和接收机的综合测试方法

天线和接收机的综合测试方法见图2，它是射电望远镜接收系统部分方框图。

首先微波开关分别连接50 Ω终端、噪声源，然后天线分别指向冷空(天线指向偏离太阳10°以上)和太阳。频谱仪读数分别为P50、PNS、PSKY、PSUN。相应链路方程为:

T50、TR、TNS、TSKY、TS和 TSUN分别为 50 Ω终端、接收机分系统、噪声源、冷空、含天线的接收系统和太阳的噪声温度，T50=290 K。

噪声源的超噪比ENR=18.21 dB(实验室实测值)，由超噪比定义(13)式可求出噪声源噪声温度 TNS。

图2 天线和接收机性能综合测试方法Fig.2 The synthetic measurement method of antenna and receiver performance

式中，TA为天线背景噪声温度。

测量实例:以一个4.5 m口径射电望远镜在1 400 MHz的测量值为例进行计算。测试值见图3。频谱仪的型号是Agilent E4407，采样点设置为401个点，即每2.5 MHz采样1次。图下数据左侧是采样频率，右侧是相应采样电平值 (250 MHz是末级中放中频频率，对应射频1 400 MHz)。

图3 综合测试方法测量数据(a)接50 Ω终端的测试值;(b)接噪声源的测试值;(c)天线指向冷空的测试值;(d)天线指向太阳的测试值Fig.3 The data measured using the synthetic method(a)Measurement data when connected to the 50Ω terminal;(b)Measurement data when connected to the noise source;(c)Measurement data when the antenna is pointed to the cold sky;(d)Measurement data when the antenna is pointed to the sun

图3(b)中，因测噪声源时，测试员将系统增益GR比接50 Ω终端和其他状态多加5 dB，计算时各种连接状态增益应相同，所以

由(9)、(10)式

由 (11)、(16)式

TSKY=3 K，一般可以忽略。

由 (12)、(16)式

将T50=290 K、TNS=19 494 K、P50、PNS、PSKY、PSUN代入(15)至(18)式，可得模拟接收机的系统增益GR=59 dB;模拟接收机分系统TR=264 K;含天线的接收系统TS=364 K;天线TA=100 K和太阳的噪声温度TSUN=1019 K。

模拟接收机子系统在制造厂和观测站的区别是，光收发链路在厂里是几米长的光跳线，在观测站是3.4 km的光缆。光纤损耗及接头损耗会引起增益及系统噪声的少许变化。

接收机子系统噪声系数出厂测试NF=2.5 dB，相应TR=243 K，与观测站测试值TR=264 K接近。而天线噪声系数出厂测试TA=100 K(10°仰角)与观测站测试值TA=100 K(高仰角)也较一致。由于光纤损耗及接头损耗，接收机增益比实验室测试值低了3 dB。

测试的前后几天太阳流量密度平稳，用ngdc网站公布的当天太阳流量密度S=66sfu①http://sgd.ngdc.noad.gov，用(3)及(18)式可求得天线增益GA

(17)式很易改写成(8)式一样的形式，(19)式除以(17)式很容易变成(5)式一样的形式，即幅度校准法兼容了测试天线性能的Y系数法。

3 测量天线增益的方向图法

现场测天线增益的另一种方法是用地球同步卫星信标作标校源测量天线方向图，再用经验公式计算增益。

以地球同步气象卫星风云2号(定位于123.5E)的信标1 702.5 MHz为标准源测试的赤经、赤纬方向图见图4。

由图4(a)赤经半功率点扫描时间为22.5 s，由图4(b)赤纬半功率点扫描时间为23 s，赤经、赤纬转速为7.89°/min即0.131 5°/s。由此可得赤经、赤纬的半功率点波束带宽:

图4 用卫星作标校源测量天线方向图(a)赤经方向图;(b)赤经方向图Fig.4 The antenna patterns measured using the satellite beacon as a calibration source(a)Longitude Pattern;(b)Latitude Pattern

4 小结

射电阵列主要用于天文观测成像，采用干涉成像原理，对所有干涉单元有幅度、相位一致性要求，以保证成图质量，因此需要作幅度相位校准。

幅度校准就是增益校准，用本文的同样方法将天线阵列的每个天线支路增益测量出来，并以一个支路增益为标准，计算出每个支路与标准支路的增益差，并在数字电路将所有支路增益补偿到标准支路同一值，就完成了一个频率的幅度校准。

本文利用射电望远镜接收系统中微波开关的功能总结出一种同时进行天线及接收机参数的测试方法。4个测试步骤(微波开关分别连接50 Ω终端、噪声源，然后连接左旋(或右旋)时，天线先后指向太阳及冷空)，得到4个测试数据P50、PNS、PSKY、PSUN，代入由4个链路方程(9～12式)导出的4个射电望远镜关键参数表达式(15、16、17及19式)，从而得出天线增益GA，及天线噪声温度TA，接收机增益GR及接收机噪声温度TR(其中天线增益需借助于天文网站公布的太阳流量计算)。

这种方法在射电阵列(几十面天线，分布在几平方千米范围)测试中相对于天线、接收机分别进行测试显示出许多优点:操作简单，省工，省时，省力，速度快，效率高。机房内动动鼠标(控制微波开关连接点及天线转动)就测完了，免除了在室外爬上，爬下(天线)，连上，拆下(电缆)之劳，承受风吹雨打日晒之苦。

致谢:本文写作过程中，中国电子科技集团13所张越成高级工程师，吴立峰，刘荣军，黄从喜，常会军工程师予以帮助，在此一并表示感谢。

［1］毛乃宏.天线测量手册 ［M］.北京:国防工业出版社，1987.

［2］约翰·克劳斯.天线 ［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［3］P G Smith.Measurement of the complete far-field pattern of large antennas by radio-star source［J］.IEEE Transactions on Antennas and Pprpagation，1966，14(1):6－16.

［4］康连生，张喜镇.232 MHz天线馈源及方向图测试 ［J］.北京天文台台刊，1985.