DTH一体化平板天线增益测量方法

于卫东 ，于少飞 ，李 勇 ，王兰贵，杨 波

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.江苏省常州外国语学校，江苏 常州 213000；3.中国人民解放军32620部队，青海 西宁 810000)

0 引言

直播卫星电视(Direct to Home，DTH)的出现，使最初的4 GHz频率提高到12 GHz，波长变短达到2.5 cm，为平板天线的出现和使用提供了可能。

平板天线在接收原理和接收方式上都发生了根本改变，与传统的抛物面天线完全不同。平板天线是雷达技术、微带技术、电子技术和通信技术的综合运用，将雷达和通信常用的阵列式天线运用到卫星接收天线上，形成了不同技术的平板天线。此类天线是平面相控阵的高科技产品，如与单脉冲跟踪技术、激光制导、陀螺仪和GPS定位等技术组合运用，可实现移动卫星接收和卫星通信。平板天线可挂在墙壁上，接收移动卫星时可任意放置安装。

在测量平板天线系统技术指标时，其系统增益测量准确度是非常关键的。由于DTH一体化平板天线是由阵列天线与高频头(Low Noise Block，LNB)集成在一起的组合体(封装在非金属罩子里)，接收频段11.7～12.2 GHz，输出频段0.95～1.45 GHz，所以一体化平板天线系统增益是无源平板阵列天线的增益与LNB的增益之和。而采用经典的比较法测量增益时，使用的增益基准天线的接收频段和输出频段都是一样的(输出频段与接收频段为11.7～12.2 GHz)。由于不同频段采用不同的电缆传输，损耗差异较大，而且测试频段差别较大时接收机内部参数的差异也较大，由此带来的测量误差较大。天线增益测量的传统方法在文献[1-6]中都有介绍，但如果用于测量一体化平板天线增益，则普遍存在不能测完整或者测量准确度低的问题。

因此，本文重点解决一体化平板天线系统增益测量准确度的问题，使其既采用了经典的比较法，又巧妙地解决了由于一体化平板天线系统输出变频而造成的不能同频比较增益的难题。

1 直播卫星电视接收系统组成

直播卫星电视接收系统若使用平板天线，其系统组成是由平板天线(包含LNB)和室内单元(通称接收机)组成，如图1所示。在平板天线和室内单元之间可连接L频段功分器，能够实时接收同一卫星传送的多套卫星电视节目。

图1 直播卫星电视接收系统Fig.1 Receiving system of direct-broadcast satellite TV

2 一体化平板天线的特点和电性能指标要求

平板天线[7-13]分为有源和无源2种，从技术上又可分为振子平板天线和缝隙平板天线。有源平板天线采用的是微电路技术；无源平板天线是在透明表面中覆盖了很多由金属构成的缝隙、同心圆，从而形成一个电子透镜用于聚集信号。DTH一体化平板天线是有源平板天线，它把阵列式天线移植到Ku波段卫星电视接收天线上，从内部结构形式可分为微带型、波导型、带状线型和螺旋型等。所谓阵列式天线，是将众多半波振子单元有规律地排成行和列而形成，如图2所示。通常每个相邻半波振子单元之间，包括行距与列距都相隔半个波长的整数倍，从而构成一个天线阵。半波振子的单元数量取决于平板天线的增益，振子单元愈多，增益愈高。

平板天线中的天线阵对相位的同相性要求极其严格。平板天线中的辐射单元馈电是一个难度较高的技术性问题，必须保证各辐射单元间是同相馈电，才能使平板天线有较高的增益和较强的方向性。

(a) 波导馈电的圆极化阵列天线

(b) 径向馈电的螺旋圆极化阵列天线图2 DTH平板天线典型产品照片Fig.2 Typical product photos of DTH planar antenna

平板天线主接收方向垂直于天线面的法线方向，但也可以通过控制平板天线各辐射单元之间馈电相位来改变主波束与平板天线的夹角，从而实现方位角和俯仰角的电气调整。这是平板天线的一大特点和技术难点，但调整的角度不能太大，否则天线的有效投影面积将减少，效率与增益也随之降低。

平板天线口径面积利用率高、体积小、低剖面、可共形，具有良好的辐射性能，辐射单元与馈线网络易于集成，易于实现较低副瓣等特点，所以广泛应用于车载/机载等“动中通”、导航、雷达等领域。

平板天线各辐射单元是靠微带线来馈电联接的，馈电线路要解决电路阻抗匹配和相位的联接问题。电波在振子处已变为感应电流，各馈线集中汇总后可以直接以电流形式传输给LNB中的下变频器。既不需要馈源，也减少了由电波的电场形式转换为电流形式的损失，有利于信号的接收。此时的LNB是分布参数微带式，通过微带式LNB直接做在平板天线里面(如DTH一体化平板天线)，就形成了天线LNB一体化的新型结构，既美观又可靠。

DTH一体化平板天线电性能指标要求[6]如表1所示。

表1 DTH一体化平板天线电性能指标要求

3 卫星电视接收天线增益测量的传统方法

天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想点源在空间同一点处辐射强度之比，用来衡量天线辐射能量的集中程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。在满足远场测试条件下，卫星电视接收天线增益测量的传统方法有以下几种。

3.1 比较法

比较法测量天线增益的实质是将待测天线的增益与已知天线标准增益进行比较而得出待测天线的增益。其增益标准天线是增益测量的主要误差源：

G=GS+(Px-PS)，

(1)

式中，G为待测天线增益，单位dBi；GS为标准天线增益，单位dBi；Px为待测天线接收的信号功率电平，单位dBm；PS为标准天线接收的信号功率电平，单位dBm。

3.2 三天线法

设3个天线的增益分别为GA，GB,GC，将它们两两组合，一收一发，在保证测量距离相同的情况下(RAB=RBC=RCA=R)，增益分别为：

GA(dB)=[Ld-P0+(Prab+Prac-Prbc)] ，

(2)

GB(dB)=[Ld-P0+(Prbc+Prab-Prac)] ，

(3)

GC(dB)=[Ld-P0+(Prbc+Prac-Prab)] ，

(4)

式中，Ld=20lg(4πR/λ) 为自由空间损耗；P0为源天线的输入功率(dBm)；Prab,Prac,Prbc为相应一收一发组合时接收天线的输出功率(dBm)

3.3 波束宽度法

波束宽度法是通过测量天线方向图的E/H面半功率波束宽度，即3 dB点的波束宽度及10 dB波束宽度、天线表面精度和馈源插入损耗，从而计算天线增益的方法:

(5)

式中，G为待测天线增益，单位dB；θ3AZ为方位方向图的半功率波束宽度，单位(°)；θ3EL为俯仰方向图的半功率波束宽度，单位(°)；θ10AZ为方位方向图的10 dB波束宽度，单位(°)；θ10EL为俯仰方向图的10 dB波束宽度，单位(°)；Floss为天线馈源网络插入损耗，单位dB；Rloss为天线表面公差引起的增益损失，单位dB。

3.4 方向图积分法

考虑各种增益损耗因子，则方向图积分法确定天线增益的为：

(6)

式中，δt为总损耗因子。

利用实际测量的方向图，借助计算机软件，利用辛普森积分法或梯形法求出式(6)的积分，即可得到天线的方向性增益。实际工程测量中，通常测量天线方位和俯仰方向图，因此可得到天线方位和俯仰方向性增益，求出二者的平均值即为天线的方向性增益。为了确定天线增益，必须对方向性增益进行修正，即考虑各种损耗因子对天线增益的影响。

4 DTH一体化平板天线系统增益测量方法

一体化平板天线系统增益是无源阵列天线的增益与LNB的增益之和，由于这2项增益无法分开，只能测量天线系统增益，并且一体化平板天线系统的输出频段变成了中频，与接收频段不一致。

用波束宽度法和方向图积分法测量一体化平板天线增益时测出的只是其中无源阵列天线的增益。

由于DTH一体化平板天线是由阵列天线与LNB集成在一起的有源天线，接收射频信号，输出中频信号，所以该类天线只能接收，不能发射，不再是互易的。因此，在这里三天线法已经不适用了。只能用比较法来测量一体化平板天线系统增益。但是，通常使用的增益基准天线的输出频段和接收频段是一样的(均为11.7～12.2 GHz)，而DTH一体化平板天线系统输出频段变成了0.95～1.45 GHz，这2个输出频段差别较大，需用不同的传输电缆，损耗差异较大，而且测试频段差别较大时接收机的内部参数也差异较大，由此带来的增益测量误差较大。

一体化平板天线系统增益是测试难度较大的指标。由于平板天线是阵列天线与LNB的集合体，所以将增益基准天线与一个已知增益的LNB(与平板天线中内置LNB的本振频率及输入输出频段均一致)机械连接起来，作为增益基准天线组合体(增益基准天线)，仍采取经典的比较法，来测量一体化平板天线的系统增益。

4.1 测量框图

测量框图如图3所示。

图3 一体化平板天线系统增益测量框图Fig.3 Block diagram of gain measurement for integrated planar antenna system

4.2 测量条件

(1) 被测平板天线和增益基准天线与源天线具有相同的极化；基准天线和LNB的增益均已精确标定。

(2) 被测平板天线和源天线之间测量距离应满足：

(7)

式中，L为源天线与被测平板天线距离,单位m；D为被测平板天线最大尺寸，单位m；D为源天线最大辐射尺寸，单位m；λ为测试频率波长，单位m。

(3) 被测平板天线应安装于场强基本均匀的区域内。场强应预先用一个半波偶极天线在被测平板天线的有效体积内进行检测，如果电场变化超过1 dB，则认为试验场是不可用的。此外，增益基准天线在2个正交极化面上测得的场强差值应小于0.5 dB。

(4) 测量用信号发生器、接收设备(如频谱仪)等测量设备和仪表应具有良好的稳定性、可靠性、动态范围和测量精度，以保证测量数据的正确性。

测量用仪表应有计量合格证，并在检定周期内。

4.3 测量步骤

开始测量时，必须将被测平板天线和增益基准天线交替做水平和俯仰调整，以确保被测平板天线和增益基准天线在水平和俯仰上的最佳指向，使其接收的功率电平为最大。具体测量步骤如下：

① 通过转接“1”，使被测平板天线与接收设备相连接，被测平板天线与源天线对准，此时接收设备接收到的功率电平为PA(dBm)；

② 通过转接“2”，使增益基准天线组合体的LNB输出端与接收设备相连接。在增益基准天线与源天线对准的同时，上下连续改变基准天线的高度(在安装被测天线的有效体积内)，记录接收设备接收功率电平的最大值Prmax(dBm)和最小值Prmin(dBm)；

③ 被测平板天线某频点的增益：

(8)

(9)

式(8)最后一项为地面反射产生的增益修正；G0=G′0+GB，G0为增益基准天线组合体的增益，单位dBi；G′0为基准天线组合体中基准天线的增益，单位dBi；GB为基准天线组合体中LNB的增益，单位为dB；PA为被测天线接收到的最大电平，单位dBm；Prmax为基准天线接收到的最大电平，单位dBm；Prmin为基准天线接收到的最小电平，单位dBm；N为接收机分别到被测天线和基准天线组合体中LNB输出端2路衰耗的修正值，单位dB；β为地面反射修正系数；

④ 在一个频带内，至少测量高、中、低3个频率点。

4.4 测量误差分析

由改进的比较法测量一体化平板天线增益的原理可知，影响天线增益测量精度的主要误差源有增益基准天线的增益误差、LNB的增益误差、极化失配引起的增益损失、阻抗失配引起的增益损失、指向误差和有限测试距离引起的增益测量误差等。一体化平板天线增益测量的均方根误差[14-17]估算结果如表2所示。

表2 一体化平板天线系统增益测量的均方根误差

4.5 测量实例

选取图4所示的一体化平板天线作为样品，其系统增益实测数据如表3所示，增益测试曲线如图5所示。

由图5可以看出，该测量实例达到了提高一体化平板天线系统增益测量准确度的效果。

(a) 天线正面

(b) 天线背面图4 一体化平板天线测试样品Fig.4 Test sample for integrated planar antenna

表3 一体化平板天线系统增益测试结果

注：由于从接收机连接增益基准天线和被测天线使用的是同一根电缆，且传输频率相同，因而N=0。

图5 一体化平板天线系统增益测试曲线Fig.5 Gain test curve of integrated planar antenna system

5 结束语

针对DTH一体化平板天线的系统增益测量准确性问题，采用了在增益基准天线中加入已知增益的LNB的方法，并在测量计算过程中加入了增益修正，巧妙地解决了由于一体化平板天线系统输出信号变频而造成的接收功率不能同频比较来测量增益的难题。分析了引起平板天线增益测量误差的各种因素，给出了增益测量的均方根误差。实测结果证明，此法严谨，简便易行，可操作性强，测量结果准确度高，具有较好的参考价值。

此测量方法可以推广到将LNB集成在一起的射频组件 (如天线一体化馈源)的增益测量中，具有广泛的推广价值。