卫星通信地球站收发射频设备技术性能指标浅释（二）——地球站天馈设备性能技术指标浅释<br/>

卫星通信地球站收发射频设备技术性能指标浅释（二）——地球站天馈设备性能技术指标浅释

2015-05-07甘仲民

数字通信世界 2015年1期

甘仲民

（解放军理工大学通信工程学院，南京 210007）

如第一讲所述，天线是辐射和接收空间电磁波的装置。在卫星通信地球站中，微波、毫米波天线通常由主反射面、馈源（喇叭）构成，天线是收发共用的，为此，要通过双工器来实现，这些部、器件便组成了完整的天馈设备。衡量天馈设备的主要技术指标有：工作频段、天线方向图、增益、电压驻波比、噪声温度、功率容量、馈源插入损耗、极化方式及有关性能（极化隔离度、圆极化时的轴比等）、双工器收发隔离度、旁瓣特性等。关于工作频段的要求，第一讲中已经说明，这里对其余性能指标阐述如下。

1 天线方向图

天线的方向图表示天线辐射参量（包括辐射功率、场强幅度和相位、极化等）随方向变化的空间分布图形，通常是指从远区场点观察的辐射特性。实际中我们最关心的是天线辐射能量的空间分布，由于功率与场强的平方成正比，因此，主要研究辐射强度随空间方向变化的方向图。

天线方向图是一个三维立体图形，可用极坐标或直角坐标来表示。如图1所示，是某一天线用三维直角坐标表示的立体方向图。

图1 三维立体天线方向图示例

工程上一般采用两个相互正交的主平面上的方向图来表示天线的方向性，这两个主面称为E面和H面。E面是通过天线辐射最大方向并平行于电场矢量的平面；H面是通过天线辐射最大方向并垂直于E面的平面。天线方向图有许多波瓣，其中主瓣（也称为主波束）为包含辐射最大方向的波瓣，旁瓣是除主瓣外沿其他方向的某一波瓣，通常第一旁瓣是诸多旁瓣中最大的。图2是直角坐标表示的典型的E面方向图。

图2 E面天线方向图举例

2 半功率波瓣宽度

以辐射强度最大方向为参考、辐射功率下降一半（3dB）时的波束宽度称为主瓣的半功率波瓣宽度（HPBW），简称为主瓣宽度或波瓣宽度或波束宽度，如图2所示。通常可以用主瓣宽度来表示天线辐射是否集中，方向性的强弱。主瓣宽度愈小，方向图愈尖锐，表示天线辐射愈集中，即方向性越强。

以度数（°）表示时，半功率波瓣宽度可通过下式求得：

式中，λ为工作波长；D为天线口径。如工作于6GHz（波长为0.05m）、口径为10m的天线，利用上式可求得 =0.35°。

3 天线增益

在相同半径r的球面上，实际天线辐射最大方向上的功率通量密度与各向同性辐射体的功率通量密度的比值，称为天线增益。增益是天线输入功率的放大倍数要说明，无线电磁波的功率通量密度定义是指，假想发射天线位于一球体的中心，从天线向外辐射功率，辐射方向与球体表面垂直，球体的单位表面积上通过的功率。

在面天线中，天线增益是按下列公式计算：

式中，λ是工作波长；A是天线面积；ηA是天线效率，是由于天线种种不理想因素所造成。

对于具有圆对称的反射面天线，其增益可用天线口（直）径（D）表示为

当天线面积甚大时，天线增益是很大的数值，为方便，常用其分贝数表示：

由于天线增益是以各向同性天线的辐射功率通量密度为参考的，其单位也表为dBi。

当知道天线的口径和增益值时，便可通过上面的公式算出相应的天线效率，从中得知天线的技术水平。例如，工作于C频段、口径为2.4m的偏馈抛物面天线，已知在6GHz（发射）、4GHz（接收）的增益分别为41.4dB，38.2dB，利用式（3）可推算得天线效率分别为0.6，0.65，这是此型天线效率的典型数值。

4 旁瓣电平

天线除主瓣方向的辐射外，在其他方向上也存在辐射，所形成的方向图称为旁瓣（见图2），为了获得良好的电磁兼容性，避免对其他系统产生有害的干扰，也避免其他系统对地球站自身产生的干扰，旁瓣要尽量低，通常用旁瓣电平（dBi）表示，例如进行协调和干扰估算用时，ITU-R对地球站天线旁瓣要求的建议（适用于2～30GHz范围内的频率）是

式中，φmin=1°或100λ/D(°)取其中较大者，φ即图2中的θ。

为方便起见，有时旁瓣电平也以主瓣峰值为参考。如上面所举2.4m的偏馈抛物面天线，以主瓣峰值为参考，其第一旁瓣电平为－14dB，表示在4GHz该旁瓣增益为24.2dBi。

5 极化方式及有关技术指标

如第一讲所言，极化是指电磁波电场矢量末端轨迹曲线。在卫星通信中，可采用线（垂直或水平）极化、圆（左旋或右旋）极化方式的电磁波传播方式。电磁波电场矢量末端轨迹曲线，如为直线，便是线极化。其中按电场方向与地表面平行或垂直分为水平或垂直极化，如图3所示；关于圆极化波，其定义是：从电磁波的传播方向看去，电场矢量是顺时针方向旋转画圆时称为右旋圆极化，若是逆时针的，便称为左旋圆极化。图4给出了右旋、左旋圆极化波的示意图。

图3 垂直和水平线极化示意图

图4 右旋和左圆极化波示意图

由于某些因素的影响，实际上我们遇到的多为椭圆极化波，其椭圆度用椭圆长轴与短轴之比（称为轴比，真数或分贝数）来衡量，轴比越大，偏离圆极化越大。当卫星天线和地球站天线均工作于椭圆极化时，将损失部分微波号功率，称为极化损耗，最极端的情况是双方的长轴相垂直。图5给出了此情况下所产生的极化损耗。发射和接收双方轴比均为2（3dB）时，可从图5查得最大极化损耗为0.5dB。为了尽量减少此损耗，应将二者的轴比降至1.58（2dB）或更低。此外，也可通过调整极化变换器以及利用极化跟踪或补偿装置，使二椭圆的长焦轴趋于平行。

图5 椭圆极化最大极化损耗与轴比的关系

要说明，对于线极化，当地球站接收天线的极化方向与卫星发来的电波极化方向不完全一致时，也将产生极化损耗。

交叉极化隔离度：在利用双极化的卫星通信系统中，由于在电波传播过程中可能遇到某些去极化媒质（如雨水、电离层等），极化面产生偏转，原本正交的极化波变成了非正交，于是产生了相互干扰。以线极化为例，如图6所示，假设有两个正交极化信号同时传输，幅度分别为E1和E2，在通过去极化媒质后，两个电磁波信号都含有同极化分量和交叉极化分量。

图6 极化隔离度的定义

交叉极化隔离度定义为：接收到的同极化功率与交叉极化功率之比，这样同时也考虑了接收系统本身所引起的任何附加的去极化影响。由于接收功率与电场强度的平方成正比，所以极化隔离度用分贝表示时按下式计算：

或

地球站入网时，需进行极化隔离度的测试，典型的抛物面型天线的极化隔离度应大于30dB，通常是满足要求的；一些低剖面（轮廓）的动中天线，可能极化隔离度较低，如某车载阵列天线的交叉级化隔离度为15dB（轴向），这难以符合入网要求，是值得注意的。

6 天线噪声

地球站接收天线收到卫星转发来的信号的同时，还接收到大量的噪声。其中，有些是由天线从其周围辐射源的辐射中所接收到的，如宇宙噪声、大气噪声、降雨噪声、太阳噪声、天电噪声、地面噪声等，若天线盖有罩子则还有天线罩的介质损耗引起的噪声，这些噪声与天线本身的热噪声合在一起统称为天线噪声。通常降雨并非每时每刻都存在，且降雨时有强度的差异，故天线噪声一般是按晴空下量度的。天线噪声与接收机内部噪声共同组成了接收系统的噪声，常用等效噪声温度来衡量。

7 收发隔离度

如第一讲所述，卫星通信地球站天线是收发共用的，它通过双工器与收、发信机相连接（图7）。双工器应保证收、发通道之间具有良好的隔离，以防止发射机高电平的功率泄漏到接收机，否则将阻塞、甚至损坏后者；同时还要防止接收到的信号功率泄漏到发射机，避免接收功率的损失，以保证接收机的性能。双工器由混合接头和收发滤波器组成，前者利用了收发电波极化的正交性，后者则是基于收发频段的滤波分隔。

图7 双工器的基本组成

举例：某型地球站最大发射功率1kW（60dBm），收发隔离度为85dB，则泄漏到接收机输入端的发射功率最大为-25dBm，这就意味着要求接收机能承受此功率而不降低性能，更不能损坏。

8 馈线损耗

地球站的发射机和微波低噪声接收机与天线馈源之间的连接波导和双工器，存在着损耗，此损耗将导致发射EIRP的下降和输入到接收机功率的损失、接收系统噪声温度的增加，G/T值下降。对接收系统而言，计算表明，每0.1dB的馈线损耗将增加约7K的噪声温度。为了减少馈线损耗的影响，小型地球站如VSAT，微波收发前端均作为室外单元安装在尽量靠近双工器处；对于大、中型地球站，功放在室内，低噪声接收机仍安装在双工器附近。