船载卫通地球站G/T值外场测量研究*

陈连顺

（中国人民解放军91404 部队，河北 秦皇岛 066001）

0 引言

随着航天技术的发展，卫星通信系统以其通信容量大、覆盖范围广、抗干扰能力强以及通信成本低等特点得到了广泛应用。特别是远海通信场景下，它可以为远洋舰船提供稳定的宽带信息传输[1]。在卫星通信系统中，地面站天线接收增益G与表示接收系统噪声性能的等效噪声系数T的比值即G/T值（地球站品质因数），是衡量地面站接收系统能力的一项重要技术性能指标[2]。G/T值越大，载波噪声比越高，表示地球站接收来自卫星的信号能力越强。因此，地球站G/T值测试也是地球站接收系统性能测试必不可少的重要技术环节。

地球站G/T值测试方法有直接测量法和间接测量法另种。本文提出一种基于对比法的G/T值外场间接测量方法，对某船载UHF 频段卫星通信地球站进行测试，针对天线罩给测试带来的不便，提出天线罩分离的改进测量方法，并对两种方法进行了对比。

1 G/T 值外场测量方法设计

1.1 基本原理

间接法测量G/T值是指分别测量待测天线的增益G和接收系统的噪声温度T，然后根据式（1）计算G/T值[3]：

1.2 天线增益测量

对比法测量天线增益的原理是，在已知标准天线增益的条件下，通过对比标准天线与被测天线在接收同一信号时的接收信号强度差值，计算被测天线的接收增益，如图1 所示。

图1 天线接收增益测量

由于卫通地面站天线为电磁开放系统[4]，测试环境中的外界电磁信号干扰和环境温度的剧烈变化将对测量结果产生影响较大，因此必须合理选择测试场地，尽量实现无反射环境，避免电磁干扰对测试结果的影响。为了保证本次测量的精度，外场测量选择将被测天线架高，并在晴空微风条件下进行测试，测量过程如下。

（1）用标准接收天线对准信标发射天线，调整标准天线角度使频谱仪上读出接收信号功率最大，记为P1（dBm）；

（2）用被测天线接对准信标发射天线，调整被测天线角度使频谱仪上读出接收信号功率最大，记为P2（dBm）；

（3）测试不同频率下的P1、P2值，通过式（2）计算天线接收增益G天线：

式中，G天线为被测天线增益，G标准天线为已知的标准天线增益。

1.3 接收系统噪声温度测量

为避免温度变化影响测量结果，保证测量结果更加准确，对接收系统的噪声温度的外场测量应选择在地面温度变化较小的晚上进行，测试原理如图2 所示。

图2 接收系统噪声温度测量原理

测量时，调整被测天线，使被测天线方位角任意并以20°仰角指向冷空，记录环境温度。将低噪声放大器与常温负载连接，用频谱仪测量并读出相应频率噪声电平P3（dBm）。断开常温负载，将低噪声放大器与被测天线连接，用频谱仪测量读出相应频率噪声电平P4（dBm）。

测试不同频率下的P3、P4值，并利用式（3）计算Y因子：

用式（4）计算接收系统噪声温度

式中：Tsys为系统噪声温度，单位为K；TC为常温负载的噪声温度，即环境温度，单位为K；TLNA为低噪声放大器的噪声温度，单位为K。在测得天线增益及系统噪声温度后，地球站G/T值为：

2 G/T 值外场测量改进方法

为了保护地球站接收系统不被海上高湿度、高盐雾等恶劣环境腐蚀损坏，船载动卫星通信中通天线一般使用天线罩将天线系统保护起来。但是，在外场工程测量实施过程中，由于系统天线被天线罩封闭，往往出现测试线路引接、天线状态观测和天线状态微调困难。为解决上述问题，提高测试精度及效率，考虑将天线与天线罩分离进行测试，在单独测试天线增益和噪声温度基础上，加入天线罩引入系统的差损及噪声温度，则G/T值计算可由式（6）得出：

式中：Tsys为接收系统噪声温度，单位为K；L天线罩为天线罩差损，单位为dB；TL为天线罩引入噪声温度，单位为K。

2.1 天线罩插损测量

天线罩差损值测量精度要求较高，为保证精度，在微波暗室内单独测量天线罩差损，通过对比标准天线在加入天线罩前后接收同一位置发射源发射的信号强度差计算天线罩差损[6]，测量原理如图3所示。

测量过程为：

（1）先用标准接收天线接收发射源的信号，从频谱仪上读出接收信号功率，记为P5（dBm）；

（2）用被测天线罩对准标准接收天线罩，从频谱仪上读出接收信号功率，记为P6（dBm）；

（3）用式（7）计算天线罩差损L天线罩：

图3 天线罩插损测量原理

2.2 天线罩引入噪声温度

天线罩引入噪声温度可由式（8）得出：

式中：TL为天线罩噪声温度，单位为K；L天线罩为天线罩差损，单位为dB；T0为环境温度，单位为K。

3 测量数据分析

应用上述两种G/T值外场测量方法，选择对某0.9 m UHF 频段卫星通信船载站进行测量。测量过程中，TLNA=120 K，T0=290 K，得出测量结果对比见表1。

表1 某0.9 m UHF 频段卫星通信船载动中通天线G/T 值测量结果

通过测量结果可知，运用两种方法在相同条件下测得该天线的G/T 值基本一致，误差小于0.57 dB/K。但是，在测量天线罩差损时发现，频率为344 MHz 时天线罩插损为负值。究其负值产生的原因，主要在于两个方面。一方面，被测天线罩所用材质在此频段的透波率较高，天线罩的理论插损值接近0 dB，在测试过程中受测试仪器本身误差影响，存在出现负值的可能。另一方面，受天线介质加载效应影响，UHF 频段加载天线罩后，介质覆层或介质罩子可以改变辐射面的相位分布，会增加或减小天线辐射特性的影响而出现负值。可见，天线罩差损出现负值属于正常现象，不影响测试结果。现实中部分商用产品也存在对天线进行介质加载后提高天线辐射效果的实际应用案例。

4 结语

本文简述了卫星通信地球站G/T 值测量原理，提出了基于对比法的船载卫星通信地球站G/T 值外场测量方法。针对外场测量，船载地球站天线罩给测试测量带来了不便，提出了天线与天线罩分离测试的外场改进测试方法。结合某UHF 船载卫星通信地球站测量实例对两种测试方法进行比对，针对UHF 频段天线罩差损测试出现负值的现象，分析差损为负产生的原因，得出不影响测试结果的结论。虽然两种测试方法均可以实现G/T 值外场测量，但改进的测量方法更加直观，具有很强的可操作性，对船载小口径卫星通信地球站G/T 值外场测量具有积极的借鉴意义。