手持频谱仪在地面站天线故障检测中的应用

李 光，秦顺友

(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

频谱仪对于射频工程师来说是必不可少的测试工具，广泛应用于无线电技术的各个领域[1-4]。近年来，随着通信技术的快速发展，越来越多的野外高空作业需要应用频谱仪，传统的台式频谱仪因其体积大、昂贵等日益制约其应用和扩展，国内外仪器厂家如中国电子科技集团公司第四十一研究所、是德科技、安立公司和R&S公司等推出了频段宽、高性能、体积小、重量轻、低成本、结构简单、操作方便的手持频谱仪，非常适合野外高空作业，为现场安装、维护、检测、故障分析提供强有力的保障[5-7]。本文简单介绍手持频谱仪的特点，阐述了卫星通信地面站天线故障测量的应用，该文对于扩展频谱仪的应用具有重要的参考价值。

1 手持频谱仪的主要特点

手持频谱仪在无线电现场测量中获得了广泛应用，系统总结不同厂家的手持频谱仪，其表现出显著特点有[8-9]：

•工作频段宽：目前手持频谱分析仪的最高工作频率可达50GHz，低端频率为9kHz，该频段覆盖目前卫星通信的UHF频段、L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段、Ka波段和EHF频段的所有频段，其连续频率覆盖范围满足大部分无线专业领域的测试要求。

•具有高灵敏度，提供了测量极低电平信号测量的能力，因为手持频谱分析仪一般均内置了宽带前置放大器，使频谱分析仪具有很高的灵敏度。

•具有优秀的相位噪声，可实现低相位噪声测量。

•具有重量轻、体积小、坚固外壳设计、工作环境温度高、优秀电池工作时间等等，使手持频谱仪非常适合野外、高空和现场测量。

•利用远程控制和接口，可用计算机实现手持频谱仪的远程控制操作和测量，其测量结果直接存储在计算机，并可生成测量报告。

•利用频谱仪的内置测量功能，可简化无线系统的测量，便于轻松验证系统各项指标的功能。它们包括场强测量、占有带宽、信道功率、邻信道功率比、AM/FM/SSB解调和载波干扰比等等。

•使用有价值的选件，扩大手持频谱仪的测量功能。这些选件主要包括：高精度功率计选件、干扰分析仪选件、内置信号源选件、网络分析仪选件、矢量电压表选件、脉冲测量选件等等，从而使手持频谱仪具有射频和微波综合分析仪的测试能力。

2 地面站天线故障检测

2.1 地面站天线电磁环境的检测

随着无线电技术快速发展，地面站天线的电磁环境日益恶化，电磁干扰信号日益增多，当其干扰方向在天线工作方向上，且工作频段相同，引起地面站天线工作故障，严重时可能造成天线工作中断。因此检查地面站天线故障时，首先排除外界干扰信号的影响。

图1 地面站天线电磁环境检测原理图

图1所示，为手持频谱仪检测地面站天线电磁环境干扰的原理方框图[10]。利用手持频谱仪很容易测量出地面站电磁环境干扰频谱，由测量的干扰频谱可确定干扰信号频率、方向，分析干扰信号是否对地面站产生干扰。图1中需要说明的是对于C频段以下的波段，可直接利用手持频谱仪的内置放大器，进行电磁干扰测量，无需外置宽带放大器，从而简化测量。

2.2 天线指向检测

当地面站天线指向卫星时，天线轴向增益最大。由于卫星漂移、天线结构变形、风载荷、重力和热效应等因素，引起地面站天线指向偏离卫星，从而引起天线增益损失，系统G/T降低，导致系统载噪比下降。

设地面站天线指向误差为Δθ，则用分贝表示的指向误差引起的增益损失ΔG为[11]：

(1)

式(1)中HPBW为地面站天线半功率波束宽度。

对于带有自动跟踪的卫星地面站天线系统，按照一定周期自动启动天线的跟踪，使天线指向对准卫星，克服指向误差引起的系统载噪比下降；对于没有自动跟踪功能的卫星地面站天线系统，这种故障是经常发生的，利用手持频谱仪可以方便地调整天线指向，使天线波束方向指向卫星，以较小或消除指向误差引起的系统载噪比的下降。

2.3 地面站天线上行链路故障检测

地面站天线上行发射功率检测，主要检测上行链路故障，主要包括高功率放大器输出、上行馈线传输和天线辐射，任意环节出现故障，均会引起地面站天线上行链路故障。

图2所示，为地面站高功率放大器输出检测原理框图。利用手持频谱仪在高功率放大器耦合口测量高功率放大器耦合输出功率，推算出高功率放大器的输出功率，分析高功率放大器输出功率是否正常，从而判断高功率放大器是否有故障。

图2 地面站高功率放大器输出检测原理框图

利用手持频谱仪可对馈线损耗进行测量，分析馈线是否存在问题，如馈线插入损耗异常，通常检查馈线驻波是否存在问题，对波导馈线检查是否未密封有潮气等，以排除馈线故障。

对于天线故障问题首先利用手持频谱仪检测天线指向是否对准目标，然后检查天线极化是否与目标信号极化匹配；最后检查天线馈源口密封模是否破损，馈源喇叭进水或有潮气，从而降低天线性能。

2.4 天线下行链路故障检测

卫星通信地面站下行链路主要天线、低噪声放大器和下变频器等组成。通过系统下行载噪比检测分析下行链路是否正常。图3所示，用手持频谱仪检测下行载噪比原理简图。

图3 手持频谱仪监测下行载噪比原理简图

利用卫星信标，手持频谱仪监测的载噪比为[12]：

(2)

式中：C/N―手持频谱仪监测的载噪比；EIRPs―卫星信标的等效各向同性辐射功率；G/T―卫星地面站系统的品质因数；Lp―卫星与地面站之间链路总损耗，包括自由空间传播损耗和大气衰减；B―监测系统噪声带宽，等于1.2倍的频谱分析仪的分辨带宽RBW。

通过手持频谱仪监测的载噪比与利用式(2)理论分析计算载噪比进行比较分析，从而判断地面站系统下行链路是否存在故障。故障排除的方法是：首先检查天线指向是否对准卫星，极化是否与卫星极化匹配；然后检查天线馈源网络是否工作异常；最后检查低噪声放大器及信号传输馈线。确保地面站下行链路工作正常。

2.5 天线性能检测

地面站天线维护完成后，利用手持频谱仪可对天线方向图、增益、交叉极化和噪声温度主要电性能指标进行检测，确定天线维护后性能是否满足天线研制任务的要求。

利用卫星信标测量天线方向图的原理框图同图2所示。按照图2原理框图，建立测试系统，利用卫星信标，驱动天线的方位或俯仰，使天线波束中心对准卫星，并调整天线极化与卫星极化匹配，此时手持频谱仪测量的卫星信标信号最大；然后，合理设置手持频谱仪的状态参数，转动天线方位或俯仰，手持频谱仪实时记录信号电平的变化，即获得地面站天线方向图。通过对测量数据的处理，可获得天线方向图第一旁瓣电平、波束宽度等性能指标。

利用方向图测量的波束宽度，可用下式评估天线增益的大小[13]。

(3)

式中：θ3AZ—天线方位方向图的半功率波束宽度；θ3EL—天线俯仰方向图的半功率波束宽度。

天线交叉极化方向图测量：在完成天线同极化方向图测量后，将天线馈源网络切换至交叉极化，微调极化位置，使手持频谱仪测量交叉极化信号最小，同理测量天线交叉极化方向图。由测量的主极化和交叉极化方向图，通过数据处理可获得天线轴向交叉极化隔离度、1dB点交叉极化隔离和交叉极化旁瓣包络等性能指标。

天线噪声温度可采用经典的Y因子法进行检测[9-10]。

利用手持频谱仪完成天线性能主要指标检测后，可对维护后的天线性能进行正确的评估。

3 结束语

手持频谱仪因其高性能、体积小、重量轻、低成本、结构简单、操作方便等，广泛应用于野外高空作业，现场安装、维护、检测和故障分析等。本文系统介绍了手持频谱分析仪主要特点和亮点，介绍手持频谱仪在地面站天线故障检测中应用，阐述了用手持频谱仪检测地面站天线故障的方法，分析了故障产生原因。该文对于地面站天线运行维护以及扩展手持频谱仪应用具有重要参考价值。