地面站系统G/T值测试方法综述

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

地面站系统G/T值定义为地面站天线接收增益与系统噪声温度之比，也称为地面站系统的品质因数。G/T值或系统噪声温度是射电天文望远镜系统[1]、深空探测系统[2]和卫星通信系统[3]等重要性能指标之一，其性能好坏直接影响系统的灵敏度。因此，研究地面站系统G/T值测量方法及其特点，不仅具有重要的学术价值，还具有重要的工程应用价值。

目前传统的G/T值测量方法有间接法[4]和直接法[5]。直接法又可细分为载噪比法和射电天文法[6]。所谓间接法是分别测量出地面站天线接收增益和系统噪声温度，从而计算系统G/T值的方法；载噪比法是直接测量地面站系统接收载噪比，从而确定G/T值的方法；射电天文法是测量地面站天线指向射电源与偏离射电源的噪声功率之比的Y因子，从而计算G/T值的方法。近年来，在用卫星载噪比法测量地面站系统G/T值时，由于卫星下行EIRP或信标EIRP不易精确测量，从而限制了载噪比法测量G/T值的方法应用。在此基础上，提出了比较法测量地面站系统G/T的方法[7]。该方法是用待测地面站系统G/T值与标准地面站天线系统G/T进行比较，从而确定地面站系统G/T值的方法。本文系统总结了G/T值测量的方法，阐述了不同测试方法优点及其局限性，为地面站系统工程师选择最佳G/T值测量方法提供科学的指导和参考。

1 间接法测量G/T值

间接法测量地面站系统G/T值是一种非常经典的方法。该方法测量G/T值的基本原理是：通过分别测量地面站系统天线接收增益GR和系统噪声温度TSYS，从而计算地面站系统G/T值的方法。可表示为：

(1)

目前地面站天线接收增益的测量方法有：射电源法[8]、比较法(可细分为室外远场增益比较法[9]、近场增益比较法[10]和卫星源比较法[11]等)、方向图积分法[12]、波束宽度法[13]、三天线法[14]、链路计算法[15]和单天线法(或称镜像法)[16]等。

对于给定的待测天线，选择一个合适方法测量天线增益非常重要。例如对于大口径射电天文天线和深空探测天线，非常适合用射电源法测量天线增益；又如新研制毫米波喇叭馈源，待测天线只有一个，适合利用镜像法测量天线增益；再如卫星通信地面站天线，其增益测量常采用波束宽度法或方向图积分法等。一般情况下，可依据待测天线形式、天线的电尺寸、工作频率以及现有测试场地条件等，选择合适的增益测量方法。

地面站系统噪声温度常采用经典的Y因子法进行测量[17]，Y因子法测量地面站系统噪声温度的原理图如图1所示。

图1 地面站系统噪声温度测量的原理图Fig.1 Principle block diagram of the earth station system temperature measurement

如图1所示，当开关依次接常温负载和待测地面站天线时，则频谱分析仪测量的噪声功率之比为[18]：

(2)

式中，k为玻尔兹曼常数，等于1.38×10-23J/K；T0为常温负载噪声温度(K)；TLNA为低噪声放大器的噪声温度(K)；GLNA为低噪声放大器增益；B为频谱仪的噪声带宽(Hz)；TSYS为地面站系统噪声温度(K)。

由式(2)求出地面站的系统噪声温度为：

(3)

由式(3)可见：只要分别测量出地面站系统天线接收增益和系统噪声温度，利用式(1)可计算出地面站系统G/T的大小；该方法需要单独测量天线接收增益和系统噪声温度，其测试设备和系统相对来说比较复杂，测量精度主要取决于天线接收增益测量精度和系统噪声温度测量精度。天线增益测量精度取决于所采用的增益测量方法，例如比较法测量天线增益精度可达到0.26 dB[19]，假定系统噪声温度测量相对误差约为5%，则地面站系统G/T值测量的均方根误差为0.34 dB。

由间接法测量地面站系统G/T原理可知：任意电尺寸和任意工作频段的天线与电子设备可分离的无源天线系统均可采用间接法测量地面站系统的G/T值，但是对于地面站系统的低噪声放大器或接收机系统与天线馈源网络集成在一起的有源天线，地面站天线与电子设备不可分离，无法采用间接法进行地面站系统G/T值测量。常见的系统有：一体化卫星电视天线系统、有源天线或有源相控阵天线系统以及数字波束天线系统等。

2 载噪比法测量G/T值

载噪比法测量地面站系统G/T值是通过测量地面站系统接收源天线或信标天线的归一化载噪比，从而直接计算出地面站系统G/T值的方法。该方法最早在卫星通信地面站系统G/T值测量中获得了应用，即通过测量卫星通信地面站接收卫星下行信号的归一化载噪比，利用式(4)计算地面站系统G/T值[20]：

(4)

式中，LP为卫星下行链路损耗总和，包括自由空间传播衰减、大气衰减、极化损失和指向损耗(dB)；C/N0为测量的卫星下行载波的归一化载噪比,注意测量归一化噪声功率时，地面站天线的方位应偏离卫星方向，确保地面站天线接收不到卫星下行信号 (dB/Hz)；EIRPsat为卫星下行有效全向辐射功率(dBW)；AS为地理增益修正因子(dB)。

利用卫星载噪比法测量地面站系统G/T值的显著特点为[21]：满足天线远场测试距离条件；测量的G/T值为地面站工作状态条件下的G/T值；可使地面建筑物、环境等引起的多重反射对测量结果的影响达到最小。该方法的缺点是测量频段受卫星通信频段的限制。在此基础上，将卫星载噪比法进行推广，应用于室外常规远场载噪比法测量地面站系统G/T值。

室外远场载噪比法测量地面站系统G/T值的原理图如图2所示。信标天线和待测天线之间应满足远场测试距离条件，即R≥2D2/λ，R为信标天线与待测地面站天线之间的距离，D为待测天线最大尺寸，λ为工作波长。

图2 远场载噪比法测量地面站系统G/T值原理图Fig.2 Principle block diagram of measuring the earth station system G/T by far field carrier to noise ratio method

远场载噪比法测量地面站系统G/T值的原理方法为：按照图2建立测试系统，首先将信标天线与待测地面站天线对准，且信标天线极化与地面站天线极化匹配，此时频谱分析仪测量的信号电平最大；然后合理调整频谱分析仪分辨带宽、视频带宽和扫描时间等状态参数，用频谱分析仪的码刻功能测量载波信号电平的大小，用C表示；再将待测地面站天线方位偏离信标天线，直到频谱分析仪测量不到信标天线的发射信号为止，或直接关闭信标天线的射频信号输出，天线的俯仰旋转到G/T值规定要求的仰角上，利用频谱分析仪的码刻噪声功能测量归一化噪声功率N0的大小，则测量的归一化载噪比为：

(5)

由测量的归一化载噪比，利用式(6)计算地面站系统G/T值。

(6)

式中，LP为自由空间传播损耗(dB)，Pt为信标天线的发射净功率(dBW)，GS为信标天线增益(dBi)。

远场载噪比法测量地面站系统G/T值的显著特点是测量不受频率限制，且可测量任意电尺寸的天线(对于大电尺寸天线，很难满足远场测试距离条件)；该方法的缺点是地面站反射以及多径效应影响测量结果。

载噪比法测量地面站系统G/T值，不需要单独测量地面站天线接收增益和系统噪声温度，因此该方法不仅适合无源天线系统G/T值测量，也适合有源天线系统G/T值测量。

卫星载噪比法非常适合卫星通信地面站系统G/T值测量，但其测量精度一般，主要是卫星信号EIRP的不稳定引起的测量误差，目前一般卫星系统的EIRP稳定度为0.50 dB，则用卫星载噪比测量地面站系统G/T值精度可达到0.55 dB[22]。

远场载噪比直接法测量地面站系统G/T值的主要误差有：信号源发射功率的测量误差、信标天线的增益校准误差、载噪比测量误差、路径损耗误差、极化损失误差、天线指向损耗误差、地面多径反射和有限测试距离引起的测量误差等，其均方根测量误差为0.42 dB[23]。

3 射电源法测量G/T值

众所周知，许多天体，如太阳、月亮、标准离散射电源(仙后座A、金牛座A和天鹅座A等)、行星(木星、金星和火星等)、类星体(3C48,3C147,3C273等)和银河星系(3C84,3C218,3C353)等除发射可见光外，还发射不同波长的电磁波，其波长范围从1 mm～20 m。可见射电源是一种宽带微波噪声源，利用射电源的噪声可以测量天线特性。但由于各射电源的辐射强度和角径不尽相同，因此必须选择合适的射电源。选择射电源测量地面站系统G/T值的首要条件是：地面站天线能够看得见射电源，且在天线转动范围内，否则地面站天线无法捕捉到射电源信号；其次射电源位置应精确知道，角尺寸很小，满足点源条件(射电源的角直径与天线半功率波束宽度比小于0.2),且射电源的流量密度比较稳定，辐射强度合适。常用于地面站G/T测量的射电源有：标准宇宙源(如仙后座A、金牛座A和天鹅座A等)、月亮、太阳和行星等[24]。文献[25]介绍了太阳源测量地面站系统G/T值的方法；文献[26]详细介绍了标准宇宙源测量G/T值的方法。

射电源法测量地面站系统G/T值的原理图如图3所示[27]。

利用射电源法测量地面站系统G/T值的原理方法是：驱动地面站天线方位和俯仰，使地面站天线指向射电源，用频谱分析仪测量其噪声功率的大小；然后驱动地面站天线偏离射电源，指向射电源附近的冷空，同理测量噪声功率的大小。计算二者的差值得到用分贝表示的Y因子大小，求出测量的Y因子的真值，由式(7)计算地面站G/T值[28]:

(7)

图3 射电源法测量地面站系统G/T值原理图Fig.3 Principle block diagram of measuring the earth station system G/T by radio source method

射电源法不仅适合无源天线系统G/T值测量，也适合有源天线系统G/T值测量。该方法测量地面站系统G/T值的优点是：满足远场测试距离条件；可测量不同仰角的G/T值；测试频段不受限制；测量结果不受环境的影响。其缺点是：不能测量地面站系统G/T值的极化特性；射电源信号很微弱，测量的天线口径受限；不适用手动天线或天线驱动受限制的天线；对小口径地球站天线而言，射电源法测量精度不高，但是随着现代测量设备和测量技术的发展，可精确测量出大于0.2 dB的Y因子，则常用的标准射电源可测量的卡塞格伦天线的最小口径如表1所示[6]。

表1 标准射电源可测量的卡塞格伦天线的最小口径Tab.1 Minimum aperture for measuring Cassegrain antenna using standard radio source

由式(7)可知，射电源直接法测量地面站系统G/T值的主要误差源：射电源通量密度误差、大气衰减误差、波束展宽修正因子误差和Y因子误差。依据误差传递公式，射电源法测量地面站系统G/T值的相对误差为：

(8)

由式(8)可知：G/T值测量误差不仅与Y因子测量误差有关，而且与Y因子大小有关。当Y1(即Y=0 dB)，Y/(Y-1)，测量误差剧增。如果Y≤2 dB，由此产生的测量误差迅速下降，因此不宜用通量密度太小的射电源测量地面站系统G/T值。当测量的Y因子大于或等于4 dB时，射电源法测量地面站系统G/T值的精度优于0.20 dB[29]。

4 比较法测量G/T值

比较法测量地面站系统G/T值的方法是从卫星载噪比直接法发展而来的一种新方法。该方法不需要知道卫星信号EIRP，其测量的基本原理是：待测站系统G/T值同标准地面站系统G/T进行比较，从而确定待测地球站系统G/T值的方法。卫星比较法测量地面站系统G/T值的原理图如图4所示。

图4 卫星比较法测量地面站系统G/T值的原理图Fig.4 Principle block diagram of measuring the earth station system G/T by satellite comparative method

如图4所示，利用卫星比较法测量地面站系统G/T值的原理公式为[30]：

(9)

式中，(G/T)S为标准地面站系统G/T值，单位为dB/K；(C/N0)X为待测地面站天线接收卫星信号的归一化载噪比，单位为dB/Hz；(C/N0)S为标准地面站天线接收卫星信号的归一化载噪比，单位为dB/Hz。

式(9)是在待测地面站天线和标准地面站天线极化均与卫星极化匹配条件下，推导出的测量原理公式。标准地面站天线一般为线极化，当待测地面站天线为圆极化，而卫星为线极化；或者待测地面站天线和卫星均为圆极化，应考虑极化损失对测量结果的影响。

该方法可推广到室外远场法。其显著特点是：简单方便，不需要知道卫星信号或远场信标信号的EIRP、自由空间损耗等参数，只要测量出归一化载噪比，即可确定地面站系统G/T。该方法不仅适合无源天线系统G/T值测量，也适合有源天线系统G/T值测量，特别适合电小尺寸的有源天线系统G/T值测量。例如非卫星工作频段的相控阵天线系统，其接收机与天线单元集成在一起，且观测不到射电源微弱信号，则比较法是测量其系统G/T值的最佳方法。

比较法测量地面站系统G/T值的主要误差源有：标准地面站系统G/T值的校准误差和归一化载噪比测量误差。待测地面站天线通常电尺寸较大，接收卫星信号载噪比很大，其测量误差较小；而标准地面站天线的电尺寸较小，如实际工程测量中，常用高增益标准喇叭，作为标准地面站天线，其接收的卫星信号载噪比很小，归一化载噪比测量误差较大，通常达到0.50 dB。假设待测地面站接收卫星信号归一化载噪比测量误差为0.20 dB，标准地面站系统G/T值校准误差0.20 dB，则卫星比较法测量地面站系统G/T值的均方根误差为0.57 dB。若采用常规远场比较法测量地面站系统G/T值，可有效提高标准地面站系统接收载噪比，从而改善测量精度。

5 G/T值测量方法的比较

前面系统讨论了地面站系统G/T值测量几种方法，即间接法、载噪比法、射电源法和比较法。系统论述了这些方法的测量原理、方法及其特点。为地面站系统G/T值测量提供参考。对于给定的待测地面站系统，依据其系统工作频段、天线口径大小、是否有源、测试场地条件及测试仪表等，进行综合考虑，选择合适的G/T值测量方法。表2给出了不同G/T值测量方法的比较。

表2 地面站系统G/T值测量方法的比较Tab.2 Comparison of the earth station system G/T measurement methods

6 结束语

G/T值是地面站系统的重要性能指标之一，其性能好坏直接影响系统的灵敏度。本文系统介绍了地面站系统G/T值的测量原理方法，即增益噪声温度法、载噪比法、射电源法和比较法，简述了各种方法的测量原理，分析了各种G/T值测试方法特点及其局限性，对其测量误差进行了简单论述。最后对各种方法的测量原理、测试系统复杂程度、测试精度、适合测试频段、测试状态、适合测量对象、测试环境影响和测试的局限性等进行了综合比较，指出了依据地面站系统的工作频段、天线口径大小、天线是否有源、测试场地条件及测试仪表等，进行综合考虑，选择合适的G/T值测量方法。本文为地面站系统工程师选择最佳G/T值测量方法提供科学的指导和参考。