卫星地球站发信天线技术指标及入网测试

2019-07-27梁卫东

数字传媒研究 2019年3期

梁卫东

内蒙古新闻出版广电局501台内蒙古呼和浩特市 010070

引言

卡塞格伦天线是双反射面天线，主反射面是旋转抛物面，副反射面采用旋转双曲面设计，副反射面的加工精度要比主反射面的加工精度要求高，天线的加工精度直接影响天线的电气性能指标。501 台12 米天线主反射面镜面精度≤0.5r.m.s（均方根），副反射面镜面精度≤0.15r.m.s。此外，天线的总装调测精度也是至关重要的，以确保实现天线的高效率、高增益和低旁瓣的优良性能。12 米天线的电气性能指标主要有天线方向图、天线增益、天线旁瓣特性、天线极化隔离度测试。

1 天线方向图

天线方向图是天线辐射功率在偏离中心不同角度的相对信号大小，表示天线在不同角度的增益值。天线方向图有直角坐标系和极坐标系表示法，在天线技术指标测试中被广泛使用。

天线方向图中应用最广泛的技术参数之一是半功率角，也称3dB 带宽。天线半功率角指从辐射峰值点向轴两侧下降3dB 点的角宽度，即主叶瓣上场强为峰值点场强的1/√2=0.707 时的角度，此时功率下降为中心点一半。抛物面天线波束的半功率点宽度近似为70λ/D，λ为工作波长，D为天线直径，也可以从天线方向图中测得。和上述3dB 带宽类似的还有10dB 带宽，在方向图中也经常用到。收发两用天线的方向图包括：发射方向图和接收方向图测试。

1.1 天线发射方向图测试

发射方向图包括：方位和俯仰方向图测试。501 台使用东经125°卫星进行测试，调制器发射单载波信号，测试不能使用调制波，信号电平为-19dBm，上变频器发射频率为5935MHz，并在输入端加30dB 衰减器，四端口网路接垂直极化端口，固态功放发射功率为2.4 瓦，要确保功率合适，保证测试具有一定的动态范围。步骤为：将12 米卫星天线对准该卫星，天线当前方位角是160.85°，俯仰角40.92°，极化-10°。首先，俯仰角固定不变，方位角从当前角度变化正负2°，将天线手动调到158.85°，即从158.85°开始转动到162.85°结束。接着使方位角变化正负16°，即从144.85°开始转动到176.85°结束。接下来方位角不变，让俯仰角变化正负1°，从39.92°开始转动到41.92°结束。使俯仰角变化正负12°，从28.92°开始转动到52.92°结束。对端测试站使用自己的卫星天线接频谱仪测试501 台发射天线方向图。图1 是卫星公司使用正负3°角度范围做的方向图，表1 为图1 测试得到的数据。表1 中12米天线的半功率角为0.25 度，因此，日常工作时须保证很高的指向精度，时常要对天线进行自动跟踪。图1 的方向图左边第一旁瓣和右边第一旁瓣分别为-14.493dB 和-14.894dB，低于14dB，满足相关要求。

图1 方位偏离主轴3 度时的方向图

1.2 天线接收方向图测试

接收方向图也包括测方位和俯仰方向图，使用卫星自己的信标信号做测试信号，501 台12 米天线在四端口网络接矩形波导转同轴接头，通过电缆连接频谱仪，通过频谱仪进行测量。与发射方向图测试角度一样，一般窄角度用偏离主轴正负3 度，宽角度用正负15 度测试。

表1 方位偏离主轴3 度时主要测试数据

频谱仪设置方法：将频谱仪的span 值设置为0，相当于进行时域的分析，此时频谱仪相当于一台示波器，频谱仪横坐标单位是时间，sweep 设置为50秒（根据天线转动时长设置该值，一般要大于天线转动的时长），使用single sweep 即单次扫描。使用clear write 和Black A 配合使用完成测试。Res BW 设置在100～300Hz 为宜，带宽相对要小，以提高单载波的动态范围，便于观察测量，同时不能太小如10Hz，信号不能进入频谱仪中频滤波器，无法测量。VBW 设置在100～200Hz。

2 天线增益

天线增益跟天线的口径有关系，也跟天线的波长有关系，还有跟天线的效率有关系。天线的效率是一个固定值，从50%～75%。一般的天线能达到50%，好一点的天线能达到60%，最好的天线可达到70%。增益跟天线口径的平方成正比，跟波长的平方成反比，也就是说跟频率的平方也是成正比的。同样的工作条件下，12 米发射天线和6 米天线相比的话，增益要高4 倍或者说增益大6dB。口径越大的天线，它的增益越高。工作频率越高的天线，增益越高。利用下面的公式，即可计算天线的增益：

其中：AZ3 是方位方向图3dB 波束宽度（度），AZ10 是方位方向图10dB 波束宽度（度）；EL10 是俯仰方向图10dB 波束宽度（度）；EL3 是俯仰方向图3dB 波束宽度（度）；上述4 个角度都可以在方向图中测出。G 是待测天线增益（dBi）；Lf 是主反射面的精度误差导致的天线增益损失。La 代表馈源插入损耗（dB）。表2 为501 台12 米C 波段天线在发信和收信时所测得的增益。表2 中12 米发信天线和收信的增益分别为56.36 和53.42，高于该指标的技术要求。

另一种使用天线实测方向图计算天线增益的方法是积分法，采用的基本原理就是通过数学公式求各包络与横坐标所形成面积之和，矩形分割各包络再积分计算面积。本文不再做详细介绍。

3 天线旁瓣特性

天线方向图主瓣以外的波瓣为旁瓣。旁瓣应抑制到尽可能低的水平，就如能量守恒，要确保能量要集中到主瓣上，而旁瓣要少，这样才能产生更高的增益。但是它的功率不可能完全集中在主瓣上，可能分布在主瓣以外的旁瓣上，所以叫旁瓣。广电总局要求第一旁瓣要低于主瓣14dB，即在功率上要低于主瓣25 倍。旁瓣包络的要求为一个分段函数即：超过下述包络的同极化和交叉极化旁瓣峰值电平不应多于10%。

29-25 lg（θ）dBi（1°≤θ≤20°）；

表2 12 米天线增益测试数据

-3.5 dBi（20°≤θ≤26.3°）；

32-25 lg（θ）dBi（26.3°≤θ≤48°）；

-10 dBi（θ≥48°）。

厂家技术人员通过使用电子经纬仪调整12 米天线副反射面的调整杆来满足第一旁瓣低于主瓣14dB 的要求，可能需要进行多次调整，测试时厂家技术人员通过3 次精调副反射面实现了这一要求。通常要对方位和俯仰均做旁瓣包络测试，使其指标都满足要求。图2 为方位偏离主轴15 度时的旁瓣特性。图1 为方位偏离3 度时的旁瓣特性。图1 和图2 中左右第一旁瓣均满足低于主瓣14dB 的技术要求，旁瓣包络也符合上述分段函数的要求。

图2 方位偏离主轴15 度时的旁瓣特性

4 天线极化隔离度

为了提高卫星转发器的频谱效率，通常采用正交频率复用，这样一来就必须保证其反极化泄露尽可能的小，以免影响转发器上的反极化业务。同样，如果是接收天线，若极化隔离不好，接收主极化信号的同时会收到反极化信号而影响正常使用。因此，必须保证有足够的极化隔离度保障正、反极化信号的正常使用。我国规定天线的极化隔离度大于33dB，即反极化信号降低了1995 倍。12 米天线虽然是电动调整极化，通过天线控制器可实现远程控制其旋转，但是必须与中国卫通公司密切配合将极化调整到最佳状态，指标大于33dB 的要求，一般卫通公司会找一个没有反极化业务的频点进行调整和测试。图3 为方位偏离主轴3 度时的交叉极化隔离度测试，其中X-pol（Co-pol-1dB）Left 表示主轴左侧增益下降1dB时正反极化隔离度为-32.6356dB。X-pol（Co-pol-1dB）Right 表示主轴右侧增益下降1dB 时正反极化隔离度为-30.7796dB。表3 为12 米天线交叉极化隔离度测试结果。从表3 可以看出，发射和接收极化隔离度符合技术要求，同时也符合总局的要求。

表3 12 米天线交叉极化隔离度测试结果

图3 方位偏离主轴3 度时的交叉极化隔离度测试

5 天线入网测试程序

12 米天线虽然满足了上述电气性能技术指标，按照卫星公司的要求，在天线进入在线播出系统前，还需要进行极化调整并对载波上行功率进行标定。

5.1 天线入网测试注意事项

为保证测试期间，内蒙古卫视载波使用的频段内，无非法载波的恶意干扰。501 台使用备份系统在S5 转发器上行测试单载波并对12 米天线的极化隔离度进行调整，然后由12 米天线上行内蒙古卫视载波进行功率标定。鉴于501 台当前使用11米天线工作时功放输出功率为200W，考虑到今后主备天线切换时，无需调整输出功率，便于播出操作，12 米天线工作时，功放输出最好也为200W。

在501 台测试时，告知工作在同转发器的湖北地球站、青海地球站密切注意各自载波的播出质量。