天线馈源网络插入损耗测量新方法*

秦顺友，张文静

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



天线馈源网络插入损耗测量新方法*

秦顺友，张文静

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要:天线馈源网络插入损耗的传统测量方法忽略了馈源喇叭损耗的贡献. 为了精确测量天线馈源网络的插入损耗，本文提出了用标准喇叭增益比较法确定天线馈源网络插入损耗的一种新方法. 利用功率传输方程，推导了天线馈源网络插入损耗测量的原理方程，简述了其测量的方法程序. 分析了失配误差对天线馈源网络插入损耗测量的影响，计算了失配误差修正曲线. 最后，给出了一个Ka波段圆极化馈源网络插入损耗测量结果，测量结果满足馈源网络插入损耗的技术要求，从而验证了该方法的可行性.

关键词:馈源网络； 插入损耗测量； 增益比较法； 反射系数； 失配误差

0引言

馈源网络插入损耗是地面站天线的重要性能指标之一. 在卫星通信测控站系统中，为了精确测量天线增益，精确测量天线馈源网络的插入损耗是很重要的[1,2]； 在深空探测和射电天文等低噪声应用系统中，精确测量馈源网络的插入损耗，确定其损耗噪声对系统噪声温度的贡献也是非常重要的[3,4]. 天线馈源网络插入损耗测量的传统方法有：功率比法、短路驻波法和双定向耦合器法等[5-7]，但是这些传统测量方法均是去掉了馈源网络的喇叭头，将馈源网络等效成一个两端口网络，按照传输法或短路驻波法测量两端口网络的插入损耗，其结果忽略了馈源网络的喇叭损耗. 实际上，天线馈源网络是一个单端口器件，其插入损耗包括微波网络损耗和喇叭的损耗，按照传统的方法无法测量馈源网络的整体插入损耗，因此研究天线馈源网络插入损耗的测量方法不仅具有重要的学术价值，而且具有重要的工程应用价值. 本文提出了利用标准增益喇叭比较法，测量天线馈源网络的功率增益，由馈源喇叭方向性增益减去功率增益，即得馈源网络插入损耗的测量方法. 实践证明：该方法是切实可行的，在实际工程测量中，值得推广和应用.

1测量原理及方法

图1 所示为增益比较法测量馈源网络插入损耗的原理图.

图1　增益比较法测量馈源网络插入损耗的原理框图Fig.1　Schematic block diagram of measuring feed network insertion losses using gain compared method

图1 中R为收发天线之间的距离，R应满足天线远场测试距离条件，即R≥2D2/λ，其中D为待测馈源喇叭的口径，λ为工作波长. 按照图1 所示的原理框图，建立测试系统，首先将待测馈源喇叭与发射喇叭对准，且极化匹配无阻抗失配条件下，频谱仪测量的信号功率电平最大. 由功率传输方程可得：频谱仪测量的信号功率电平[8-10]

(1)

式中：PRX为频谱仪测量馈源网络接收的信号功率；PT为信号源的输出功率；GT为发射喇叭的增益；DF为待测馈源喇叭的方向性增益；LTX为发射电缆的射频损耗；ILF为待测馈源网络的插入损耗；LRX为接收电缆的射频损耗.

将频谱分析仪的测试电缆接标准增益喇叭，保持收发天线之间的测试距离不变，发射喇叭与标准增益喇叭对准，且发射喇叭与标准喇叭极化匹配无阻抗失配条件下，频谱仪的信号功率最大. 则用频谱仪测量的信号功率电平

(2)

式中：PRS为频谱仪测量标准喇叭接收的信号功率；GS为标准增益喇叭的增益.

由式(1)与式(2)相比可求得待测馈源网络的插入损耗

(3)

式(3)用分贝表示为

(4)

式(4)就是利用标准增益喇叭比较法测量馈源网络插入损耗的原理公式，其括号部分实质就是用比较法测量的馈源网络的功率增益，由馈源喇叭方向性增益减去测量的馈源网络功率增益，即得馈源网络的插入损耗. 通常标准增益喇叭的增益精确已知，而馈源喇叭的方向性增益一般可通过理论计算或测量获得，因此只要测量出标准喇叭和待测馈源喇叭接收的信号功率电平的大小，就可以计算待测馈源网络的插入损耗.

在实际工程应用中，馈源喇叭的方向性增益可利用实测的馈源喇叭的E面方向图FE(θ)和H面方向图FH(θ)，通过数值积分的方法计算获得馈源喇叭的E面方向性增益DE和H面方向性增益DH，则用公式表示为[1,2]

(5)

(6)

由式(5)和式(6)计算的馈源喇叭的E面方向性增益DE和H面方向性增益DH，计算二者平均值得馈源喇叭方向性增益[2]，用分贝表示为

(7)

式(4)为待测馈源喇叭与发射喇叭、标准喇叭与发射喇叭极化均匹配情况下，标准喇叭法测量馈源网络插入损耗的原理公式. 在实际工程测量中，发射喇叭和标准喇叭一般为线极化，待测馈源网络一般工作于线极化或圆极化. 当待测馈源网络工作于圆极化时，必须考虑极化损失的影响，假设待测馈源网络的圆极化轴比为AR(dB)，则圆极化馈源网络插入损耗的计算公式为

(8)

式中：CFCP为极化损失修正因子，极化损失修正因子与轴比的关系为[11]

(9)

2失配误差分析

式(4)和式(8)均为阻抗匹配情况下，标准喇叭增益比较法测量馈源网络插入损耗的原理公式，实际上，完全匹配是不存在的. 待测馈源网络和标准增益喇叭的失配必将引起馈源网络插入损耗的测量误差. 由微波失配理论可知：当待测馈源喇叭和发射喇叭对准时，收发天线之间的总失配因子[12]

(10)

式中：Γg为信号源的反射系数；Γx为待测馈源网络的反射系数；Γt为发射喇叭的反射系数；Γr为频谱分析仪的反射系数.

在实际工程测量中为了减小阻抗失配误差对馈源网络插入测量的影响，常在信号源的输出端和频谱分析仪的输入端接隔离器，这样Γg≈Γr≈0，则式(10)可进一步简化为

(11)

已知标准增益喇叭的反射系数为Γs，当待测馈源网络换成标准增益喇叭时，同理可得收发天线之间的总失配因子

(12)

则失配引起的馈源网络插入损耗测量误差

(13)

已知反射系数Γ和电压驻波比VSWR的关系为

(14)

将式(14)带入式(13)并化简可得

(15)

式中：VSWRx为待测馈源网络的电压驻波比；VSWRs为标准增益喇叭的电压驻波比.

图2　失配引起的馈源网络插入损耗测量误差Fig.2　Measurement error of feed network insertion losses because of mismatch

如图2 所示，给出了标准增益喇叭电压驻波比分别为 1.1，1.2，1.3，1.4和1.5时，馈源网络插入损耗测量误差与待测馈源网络电压驻波比的关系曲线. 计算结果表明：当标准增益喇叭电压驻波比与待测馈源网络电压驻波比相等时，失配引起的馈源网络插入损耗的测量误差等于0 dB； 当标准增益喇叭电压驻波比大于待测馈源网络的电压驻波比时，失配引起的插入损耗测量误差大于0 dB； 当标准增益喇叭电压驻波比小于待测馈源网络电压驻波比时，失配引起的插入损耗测量误差小于0 dB. 在馈源网络小损耗高精度测量中，应考虑阻抗失配误差对测量结果的影响.

3工程测量实例

以某工程应用的Ka波段馈源网络插入损耗测量为例，说明增益比较法测量馈源网络插入损耗的方法. 图3 所示为Ka波段待测馈源网络，其主要技术要求如下：

发射工作频段：30.0～31.0 GHz； 发射极化： 左旋圆极化；

接收工作频段：20.2～21.2 GHz； 接收极化： 右旋圆极化；

电压驻波比： ≤1.25； 插入损耗： ≤1 dB.

图3　Ka波段馈源网络Fig.3　Ka-band feed network

表1 所示为Ka波段馈源网络插入损耗测量结果. 因标准增益喇叭的电压驻波比小于或等于1.2，则由阻抗失配引起的最大插入损耗测量误差为-0.018 dB，忽略不计. 表1 测试结果表明：在测量误差允许的范围内，测量结果满足馈源网络插入损耗的技术要求，从而验证了该方法的可行性.

表1　Ka波段馈源网络插入损耗测量结果

4结束语

众所周知，馈源网络插入损耗是地面站天线的重要性能指标之一. 目前传统的馈源网络插入损耗测量方法均不包含馈源喇叭的损耗，因此存在着局限性. 为了精确测量馈源喇叭和网络的整体插入损耗，本文提出了利用标准增益喇叭比较法，确定天线馈源网络插入损耗的新方法，推导了测量原理方程，分析了失配误差对测量结果的影响，并给出了工程测量实例. 实践证明：该方法是切实可行的，在实际工程测量中值得推广和应用.

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A New Method for Antenna Feed Network Insertion Loss Measurement

QIN Shunyou, ZHANG Wenjing

(The Fifty Fourth Institute of CETC, Shijiazhuang 050081, China)

Abstract:Traditional measurement methods of antenna feed network insertion loss neglect contribution of the feed horn loss. In order to measure exactly insertion loss of antenna feed network, a new method for measuring antenna feed network insertion loss is presented using compared method of standard gain horn. Principle equation of antenna feed network insertion loss is derived using power transmission equation, and test procedure is described simply. It is analyzed that effect of mismatched error on antenna feed network insertion loss measurement. At fast, measuring results of insertion loss are given for Ka-band circular polarization feed network, measuring results meet technique requirement of the feed network insertion loss, and feasibility of the method is verified. The paper has importance reference value of insertion loss measurement of antenna feed network.

Key words:feed network； insertion loss measurement； gain compared method； reflection coefficient； mismatch errors

文章编号:1671-7449(2016)04-0336-05

收稿日期:2015-11-17

基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2013CB837900)

作者简介：秦顺友(1964-)，男，研究员，硕士，主要从事微波与天线测量技术的研究.

中图分类号:TM931

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.04.009