有源相控阵天线GT测量及误差分析.docx

有源相控阵天线G/T值测量及误差分析

任冀南秦顺友陈辉吴伟伟
(中国电子科技集团公司第54研究所，河北石家庄050081)

摘要：简述了地面站天线系统G/T值测量的传统方法。论述了室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的原理方法，推导出测量的原理方程。分析了G/T值测量误差，其均方根误差小于或等于±0.422dB。最后给出了S波段19元阵天线系统G/T测量结果，实测结果与预算结果吻合很好。
关键词：有源相控阵天线；G/T测量；误差分析

G/TMeasurementandErrorAnalysisforActivePhasedArrayAntenna
RENJi-nan,QINShun-you,CHENHui,WUWei-wei
(TheFiftyFourthInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)
Abstract:Inthispaper,traditionalmeasurementmethodsaredescribedsimplyforearthstationsystemG/Tvalue.MeasuringprincipleandprocedureofactivephasedarrayantennaG/Tvaluearediscussedusingoutdoordirectfar-fieldmethod,andmeasuringprincipleequationisderived.ErrorofG/Tvaluemeasurementisanalyzed,andresultsshowthatRMSerrorofG/Tvaluemeasurementislessthanorequalto±0.422dB.MeasuringresultofS-band19-unitarrayantennaG/Tvalueisgiven,testresultagreeswithpredictionresult.
Keywords：activephasedarrayantenna;G/Tmeasurement;erroranalysis

引言
G/T是地面站系统的重要性能参数之一，其性能好坏直接影响系统的灵敏度。目前G/T值传统的测量方法有间接法和直接法[1][2][3]。所谓间接法就是分别测量出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；直接法又可细分为卫星载噪比法和射电源法。卫星载噪比法就是直接测量地面站天线接收卫星信号的载噪比，从而确定G/T值的方法，该方法非常适合卫星通信地面站天线系统G/T测量；射电源法就是测量地面站天线指向射电星和冷空时的Y因子，从而计算G/T值的方法。由于射电源的信号很微弱，对于小型地面站，其系统G/T很小，则很难观测到射电源的信号[4]。
对于有源相控阵天线，因其射频单元与天线单元集成在一起，其天线测试方法不同于常规的无源天线测量[5][6]。对于有源相控阵天线系统G/T值测量，无法采用间接法测量系统G/T值；另外如果天线工作频段与卫星频段不符，且系统G/T值较小，则采用卫星载噪比或射电源法测量其G/T值具有局限性。为此我们提出了在室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的方法。实践证明：该方法是切实可行的，在G/T值测量中值得推广和应用。
1测量原理和方法
图1所示为室外远场法测量有源相控阵天线G/T值原理方框图。
相控阵天线

标准天线

频谱仪
R

信号源

图1室外远场法测量相控阵天线G/T值原理方框图
图1中，R为测试距离，R应满足远场测试距离条件，即R≥2D2/λ（D为待测天线最大尺寸，λ为工作波长）。由功率传输方程可得：频谱分析仪测量的载波功率C为[7]：
（1)
式中：
C—频谱仪测量的载波功率；
Pt—标准增益喇叭天线的发射功率；
GS—标准增益喇叭天线的增益；
G—待测有源相控阵天线的增益；
Gnet—有源相控阵天线网络的总增益；
LP—自由空间的传播损耗；
LRF—相控阵天线与频谱仪之间射频电缆损耗。
将待测有源相控阵天线方位偏开，俯仰转到测量的仰角上（确保有源相控阵天线接收不到标准增益喇叭的发射信号），则频谱分析仪测量的噪声功率N为：
（2）
式中：
k—波尔兹曼常数，等于1.38×10-23（J/K)；
T—有源相控阵天线系统噪声温度；
B—接收机噪声带宽，它等于频谱分析仪分辨带宽RBW的1.2倍。
由式（1）和式（2）可得测量的载噪比C/N为：
（3）
由式（3）可求得用分贝表示的有源相控阵天线的G/T值为：
（4）
式（4）就是室外远场直接法测量G/T值原理公式，式中发射功率单位为dBW。现代频谱分析仪可直接测量归一化噪声功率N0，则G/T值与归一化载噪比C/N0的关系为：
（5）
如果待测天线