基于平面近场的有源相控阵系统G/T值测量方法

吴瑞荣 邹永庆 龙永刚 李景峰 吴贻伟

摘  要：文章提出了一种基于平面近场的有源相控阵天线系统G/T值测量方法，通过分别测量接收系统的有源增益和有源噪声功率，进而测量出G/T值。该方法在暗室平面近场进行，实现简单，受环境影响小，重复度高，解决了大型阵列天线G/T值测量困难的问题。给出了测量原理和测试误差分析，并通过对Ka频段接收相控阵的G/T值实测，与理论计算结果一致，且多次测量的抖动在0.25 dB内。

关键词：G/T值测量;有源相控阵天线;平面近场

中图分类号：TN82      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）01-0068-03

G/T Value Measurement Method of Active Phased Array System Based on

Planar Near Field

WU Ruirong，ZOU Yongqing，LONG Yonggang，LI Jingfeng，WU Yiwei

（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei  230088，China）

Abstract：In this paper，a method of measuring G/T value of active phased array antenna system based on planar near field is proposed. By measuring the active gain and active noise power of the receiving system respectively，the G/T value can be measured. The method is implemented in the near field of the dark chamber plane，which is simple to realize，small affected by the environment and high repetition. It solves the difficult problem of measuring the G/T value of large array antenna. The measurement principle and error analysis are given in this paper. The measurement principle and error analysis are given. The measured G/T value of Ka band receiving phased array is consistent with the theoretical calculation，and the jitter of multiple measurements is within 0.25 dB.

Keywords：G/T value measurement;active phased array antenna;planar near field

0  引  言

有源相控陣天线因其具备波束指向、形状等灵活可变的高弹性，在测控通信、微波成像等多个领域广泛应用，随着芯片和微波集成技术发展，毫米波大型相控阵列得到长足应用。G/T值是接收有源相控阵系统参数中一项关键指标，是衡量接收相控阵灵敏度的质量指标，该指标高低意味着接收相控阵能否从噪声中识别信号。G/T值常用测试方法包含射电源法、卫星源法、远场法、紧缩场法等，这些测试方法均为搭建一个远场条件，利用弗里斯传输方程，通过测量系统等效全向发射功率EIRP、传输损耗、载噪比等，计算出G/T值。由于远场搭建耗时、费力，需要测试项目多，受环境影响大，造成G/T值测量耗费大，精度差。虽然紧缩场法在暗室内进行，受环境影响小，但紧缩场静区尺寸受制造成本制约，难以提高，特别是针对毫米波等高频段的应用。

本文提出了一种基于平面近场的有源相控阵天线系统G/T值测量方法，针对有源相控阵天线G/T值测量面临的问题，提出了利用平面近场暗室分别测量出接收系统的有源增益和有源噪声功率，通过两者相比得出G/T值的方法。该方法测试系统搭建简单，测试精度高，文中详细介绍了本方法的测量原理和并对测试误差进行了分析，以Ka频段接收相控阵的G/T值测量为实例对提出的方法进行了验证，结果与理论计算吻合，测量精度在0.25 dB内。

1  测量原理

G/T值为天线阵面增益G与系统噪声温度T的比值。接收有源相控阵天线与有源通道装配连接后，由于有源通道的引入，不能直接对天线阵面增益G和系统噪声温度T进行测试。

如图1所示，通过对接收有源相控阵系统分析，接收有源相控阵系统有源增益G有源包含天线阵面增益G和接收通道增益g两个部分，并满足：

G有源=G·g                                  （1）

接收有源相控阵系统多阵元噪声温度T经有源通道放大合成后输出T有源满足：

T有源=T·g                                   （2）

因此分别测量接收有源相控阵系统的天线有源增益G有源和有源噪声温度T有源，则有：

（3）

在平面近场测试系统中，采用比较法，利用标准增益喇叭，可对接收有源相控阵系统有源增益G有源进行测量;利用频谱仪可对接收有源相控阵系统输出的有源噪声温度T有源进行测量，测量原理图如图2所示。

将待测相控阵系统和标准增益喇叭架设于平面近场暗室系统中，如图2所示，距离暗室采样探头3～5个波长，待测相控阵系统与标准增益喇叭与探头距离相同。利用暗室系统分别对待测相控阵系统和标准增益喇叭的近场数据进行采集，利用NSI处理软件计算出待测相控阵系统和标准增益喇叭等效远场辐射功率P阵列和P喇叭，则接收相控阵系统的有源增益可用式（4）计算（dB值）：

G有源=P阵列-P喇叭+G喇叭                     （4）

频谱仪设置为接收相控阵工作频段，设置带宽功率测量模式，测量带宽为B，在无任何信号输入下，可获得接收相控阵系统输出的噪声功率N，则接收相控阵系统的有源增益可用式（5）计算（dB值）：T有源=N-K-10lg（B）

T有源=N-K-10lg（B）                      （5）

其中K为玻尔兹曼常数，为-228.6 dBW。

进而可知接收相控阵系统的G/T值（dB值）为：

（6）

2  测试步骤

由上述分析可知，利用平面近场可测量出待测相控阵系统和标准增益喇叭等效远场辐射功率P阵列和P喇叭，已知标准喇叭增益，可实现对接收相控阵系统G/T值测试。具体步骤为：

（1）测试系统搭建：在平面近场暗室内按照图2搭建G/T值测试系统，搭建时应使待测相控阵系统与标准增益喇叭与探头距离相同，打开测试系统，热机0.5 h以上;

（2）等效远场辐射功率测量：设置平面近场测试系统为接收测量模式，测量频率为接收相控阵工作频率，将测试系统电缆接头C连接至待测接收相控阵系统接头B，对接收相控阵系统的近场分布进行采集;再将测试系统电缆接头C连接至标准增益喇叭接头A，再对标准增益喇叭的近场分布进行采集。利用NSI处理软件计算出接收相控阵系统和标准增益喇叭等效远场辐射功率P阵列和P喇叭;

（3）噪声功率测量：首先对测试电缆DE的插入损耗L进行标定，并将接头D和接头E分别连接至接收相控阵系统接头B和频谱仪接收端，设置频谱仪测量频率为接收相控阵系统工作频率，测量量为BandPower，测试带宽B，测量模式为RMS。关闭测试系统信号源，对频谱仪接收的噪声功率N′进行测量，进而可得到接收相控阵系统输出噪声功率N为N′+L，这里L取正值;

（4）根据式（6）获得接收相控阵系统的G/T值。

3  测量精度分析

平面近场测量G/T值的误差来源主要包含：

（1）平面近场测试和频谱仪功率测量不同时，前后温度变化引起的有源通道增益变化;

（2）由标准增益喇叭和接收相控阵天线到探头距离不严格相同引起的誤差;

（3）平面近场测量系统的精度;

（4）频谱仪测量噪声功率的精度等4个影响因素。

针对影响因素（1），通过测量前热机0.5 h以上，并利用平面近场测试系统对经过相控阵系统的测量信号幅相进行实时监测，幅相变化0.1 dB/2°以内，则认为测试系统和待测系统均达到热平衡，开始平面近场测试。

针对影响因素（2），通过精确的测试工装设计，可保证标准增益喇叭和接收相控阵天线口面到平面近场探头的距离小于0.5 mm，在50 mm的距离下，引起的增益测量误差小于0.08 dB。

针对影响因素（3），在搭建测试系统时，对测试信噪比进行衡量，保证在进行标准增益喇叭近场采集和接收相控阵系统近场采集时，测量信号信噪比应高于40 dB，降低因信噪比带来的测量误差。在高信噪比的情况下，NSI近场测量系统对增益测量精度可达到0.10 dB。

针对影响因素（4），通过测量前热机0.5 h以上，使频谱仪、信号源、功率计、矢量网络分析仪以及待测系统均达到热平衡，利用功率计对频谱仪功率测量精度进行标定，标定后仪表的测量精度可达0.20 dB。

综上，平面近场测量G/T值的精度可达到0.25 dB。

4  测试验证

在毫米波平面近场暗室，按照图2搭建了测试系统，按照3的测试步骤对Ka频段接收相控阵天线的G/T值进行了测试，测试现场照片如图3所示。

已知测试频率为20.4 GHz，标准增益喇叭采用NSI公司的NSI-RF-SG28，其在20.4 GHz的增益为23.98 dBi，利用毫米波平面近场系统测得相控阵系统的等效远场辐射功率为-38.84 dB，标准增益喇叭等效远场辐射功率为-102.37 dB。

利用安捷伦公司的矢量网络分析仪N5442对接收相控阵系统和频谱仪之间的电缆损耗进行了测试，1 m电缆损耗为3.25 dB。随后在不改变接收相控阵状态下，关闭测试系统信号源，使用测试仪器罗德&施瓦茨FSW50频谱分析仪测得200 kHz内接收的噪声功率电平为-85.77 dBm，如图4所示，由测试步骤（3）可知接收相控阵系统在200 kHz输出噪声功率电平为-83.42 dBm。由式（6）计算待测接收相控阵系统的G/T值为：9.58 dB/K。

该Ka频段接收相控阵天线的G/T值根据实测的天线阵面方向性系数、天线单元与组件间损耗、接收组件噪声系数、暗室环境下天线噪声温度Ta，得到的理论G/T值为9.42 dB/K，可见测试结果与理论结果差值在误差范围内。平面近场测试G/T值方法工程可行，易于实现，精度高，具有较高的工程应用价值。

5  结  论

本文利用平面近场系统分别测量接收系统的有源增益和有源噪声功率，实现了有源相控阵天线系统G/T值的测量。该方法不仅可应用于相控阵系统，还可应用于可在暗室平面近场测试的所有接收天线，测试系统搭建简单，受环境影响小，精度高。避免了远场测量方法对场地、设备和环境的高要求，特别是大型接收相控阵系统，具有非常重要的工程应用意义。

参考文献：

[1] 秦顺友，王小强.载噪比直接法测量地球站G/T值的精度研究 [J].通信学报，2000（3）：25-31.

[2] 张竹恒.地球站G/T值的测量 [J].时间频率学报，2008，31（2）：138-140.

[3] 张宝全.CBERS地面接收系统G/T值测量 [J].遥测遥控，1999（1）：29-35.

[4] 吴腾奇.漫谈相控阵雷达技术 [N].中国国防报，2014-07-22（第14版）.

[5] VICENTE-LOZANO M，FRANCESCHETTI G，ARES-PENA F J，et al. Analysis and synthesis of a printed array for satellite communication with moving vehicles [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2002，50（11）：1555-1559.

[6] KARMAKAR N C，BIALKOWSKI M E. Development and performance of an L-band phased array antenna for mobile satellite communications [C]//IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. 1999 Digest. Held in conjunction with：USNC/URSI National Radio Science Meeting （Cat.No.99CH37010）.Orlando：IEEE，1999：158-161.

[7] 陳辉，路志勇.利用卫星源测量有源天线G/T值的简便方法 [C]//2009年全国微波毫米波会议.2009年全国微波毫米波会议论文集（下册）.西安：电子工业出版社（Publishing House of Electronics Industry），2009：617-619.

作者简介：吴瑞荣（1978.01—），女，汉族，安徽合肥人，副高级工程师，硕士，研究方向：电磁场与微波技术、通信系统前端等。