卫星导航有源接收天线噪声温度测量

2023-01-04杨寒旭张金伶

宇航计测技术 2022年5期

曹月，胡瑜，杨寒旭，张金伶，翟宏

（北京无线电计量测试研究所，北京 100039）

1 引言

卫星导航有源接收天线噪声温度是导航接收系统的关键技术指标之一。由于卫星导航信号的发射功率较小，到达地面用户接收机时相当微弱（卫星导航信号大约为－130 dBm），比接收机热噪声还要低约20 dB。卫星导航接收系统为了提高卫星导航接收灵敏度，减少天线与低噪声放大器之间的损耗带来的噪声，通常将低噪声放大器安装固定在接收天线里面。为了减少外来干扰，防止宽带干扰阻塞低噪声放大器，将带通滤波器也安装在接收天线与低噪声放大器之间。即卫星导航信号被无源天线接收下来后，再经过带通滤波器、低噪声放大器和馈电网络后输出到天线外连接头，通过电缆输送到导航接收机进行处理，得到导航信息。一般的有源天线包含：无源天线、低噪声放大器LNA、带通滤波器BPF 和馈电网络等器件。有源天线的微波噪声来源有：无源天线的损耗、带通滤波器损耗、低噪声放大器的噪声和馈电网络的损耗［1］。因此不能用低噪声放大器的噪声温度代替有源天线的总体噪声温度，有源天线的总噪声温度要大于低噪声放大器的噪声温度。有源天线的电路示意图如图1 所示。本项目是解决有源天线整个部件噪声温度的测量难题，不仅仅是有源天线内部低噪声放大器的分立部件测量。

图1 卫星导航有源天线原理框图Fig.1 Schematic diagram of satellite navigation active antenna

2 噪声温度测量原理

常规的放大器噪声温度测量方法是Y 系数法［2，3］：在被测器件的输入端分别连接冷噪声源和热噪声源，这两个源输出噪声温度Tc和Th是已知的，在被测件的输出端口分别测量由此产生的输出噪声功率N1和N2。由N1和N2的比值得到Y 系数。将已知的Y，Th和Tc数值带入式（1），计算出等效输入噪声温度Te为：

图2 常规放大器噪声温度测量原理框图Fig.2 Schematic diagram of conventional amplifier noise temperature measurement

在测量放大器、混频器或接收机噪声温度时，通常使用的噪声源有［4］：固态噪声发生器、气体放电管噪声发生器、冷热体噪声发生器。这些噪声源的输出端口是同轴型或波导型，但是有源天线的输入端口为天线口面，常规的噪声源无法使用。我们研制出了以口面形式提供噪声功率的噪声源，即提供标准辐射噪声温度的口面噪声源。用两个有明显差别的、输出辐射噪声温度已知的口面噪声源，分别输出到有源天线口面上，在有源天线输出端测量出Y 系数，并根据噪声源的标准量，则可以计算出有源天线的噪声温度。

图3 测量有源天线的原理框图Fig.3 Schematic diagram of active antenna measurement

3 口面型噪声源

自然界一般物体都不是理想黑体，其表面发射率e都小于1，称为灰体。只有黑体的发射率e＝1。因此，微波频段灰体的表面噪声温度应该表征为：

式中：e——辐射体发射率；T——辐射体物理温度，K。

由式（2）可知，在微波频段内，只要测量出辐射体的真实温度（物理温度）和发射率后，就可以求得其噪声温度。这个公式是研制口面噪声源的理论基础。口面噪声源主要由辐射体、控温体、温度传感器、保温箱、外部的温度控制仪和温度测量仪组成。在微波频段内辐射体的发射率不随温度变化，我们通过控制辐射体的物理温度并准确测量，可以得到不同、准确已知的输出噪声温度。

在遥感领域，用于微波毫米波辐射计校准的定标源［5］就属于口面型噪声源。口面辐射噪声源原理示意图如图4 所示。

图4 口面辐射噪声源原理示意图Fig.4 Schematic diagram of surface type noise source

研制了两种口面型噪声源：一个是热态，一个是冷态，结构区别是冷口面噪声源还要含外部的液氮杜瓦瓶、输液杜瓦管和电磁阀，且控温体要复杂一些。在图4 中示意出在热口面噪声源中，口面朝上的辐射体，辐射体下面是控温体，辐射体上方是具有保温／保冷功能的具有低损耗特性的微波窗，微波窗上面空间用于放置被测天线。

高发射率辐射体采用在金属基体上涂敷吸波材料的方式加工而成［6］。辐射体结构示意图如图5所示。

图5 辐射体结构示意图Fig.5 Schematic diagram of radiator structure

辐射体是由64 个单体方锥拼接而成的阵列，每个单锥锥体高度为160 mm，锥底宽度为50 mm，有效口径为400 mm 的正方形，实物如图6 所示。

图6 辐射体实物图Fig.6 Physical diagram of radiator

在工作中我们通常用电压反射系数Γ 表示反射特性，则电压反射系数Γ 与辐射体发射率e之间的关系为：

式中：Γ——辐射体后向电压反射系数。

由式（3）可知，辐射体发射率的测量归结于辐射体后向电压反射系数的测量。测量辐射体后向反射系数的方法主要有：传输线法、弧形框法、空间驻波比法等。空间驻波比法为目前国际上测量辐射体后向反射系数所普遍采用的方法［7］，其测量原理框图如图7 所示。按照文献［7］中提供的测量方法，我们测量出辐射体发射率大于0.997。

图7 空间驻波比法测量原理图Fig.7 Schematic diagram of spatial standing wave ratio measurement

由辐射体、控温体、保温箱等部件组装出两个口面型噪声源，其中冷口面噪声源是通过液氮完成降温，其辐射体物理温度范围为（150 ～330） K；热口面噪声源的辐射体物理温度范围为：常温～330 K。这两个口面噪声源通过一台温度控制仪设置温度点和调节加热致冷。

卫星导航有源天线噪声温度测量装置如图8所示，图8 中左1 是自增压液氮罐，其液氮输出连接一个电磁阀，温度控制仪控制电磁阀周期性开断调节液氮流量；中间是冷口面噪声源；右1 是热口面噪声源。后面工作桌上是噪声温度测量接收机和温度控制仪，上面是接收机，下面是温度控制仪。

图8 卫星导航有源天线噪声温度测量装置实物图Fig.8 Physical diagram of GNSS active antenna noise temperature measuring device

4 测量结果分析

选取某厂家的有源天线，将天线固定到口面噪声源的安装板上进行测试。本项目口面噪声源的辐射体物理温度需要1 h 以上的时间才能到温并稳定，待物理温度稳定后方能开始测试，测量结果如图9 所示。在图9（b）中，我们给出了（1.19 ～1.29） GHz 频率点上的天线噪声测量结果，图中间有两个隆起，首先我们从图9（a）Phot测量结果曲线上排除了同频信号干扰，表明天线噪声温度数值比较大，说明天线与滤波器之间、滤波器与放大器之间存在设计问题或其它问题，体现了有源天线噪声温度测量的必要性。