天线测量 2009年8月28日 目录 概述 测量内容 测量的基本方法 测量要求 举例 GSDSA 概述 The first successful radio telescope: Jansky, 1932 射电天文学的诞生 GSDSA 测量内容 随着雷达技术、空间探测、卫星通信、中继通信和射电天文学的发 展，越来越多的米波、分米波、厘米波和毫米波天线被广泛应用， 而如何测量这类天线的电参数和机械性能都遇到了一系列困难，特 别是如何精确测量这列天线的增益、噪声温度、指向精度等电参数 仍是无线电工程测量中难于解决的经典课题，而射电天文方法为大 口径天线的测量提供了途径， GSDSA 一、概述 GSDSA GSDSA 测量内容 天线系统测量的主要内容： 天线指向测量 天线辐射特性测量 GSDSA 测量的基本方法 • 射电源的选择 尽量选择点源 由于天线波束本身极窄，这就要求所选射电源的角径尽量小，否则会降低标 校 • 精度。 射电源分布均匀 选择的射电星轨迹尽量均匀分布在天球上，即在天线工作范围内均匀选择观 测 • 点，这样可以保证得到精确的轴系误差修正参数。 射电源足够强 要求所选的射电源要有足够的信噪比 GSDSA 测量的基本方法 一、天线指向测量 天线的指向误差被定义为两个参考坐标系之间的偏差，其中一个参 考坐标系是指令位置坐标系，另一个参考坐标系天线实际响应位置 坐标系。天线指向测量的目的就是测量出在整个天区中，这个两个 参考坐标系之间的偏差是多少，然后将到偏差量添加到天线的方位 指令和俯仰指令中去。偏差值定义如下： Azim uth Error A Aobserved Acommand Elevation Error h hobserved
Download ReportTranscript 天线测量 2009年8月28日 目录 概述 测量内容 测量的基本方法 测量要求 举例 GSDSA 概述 The first successful radio telescope: Jansky, 1932 射电天文学的诞生 GSDSA 测量内容 随着雷达技术、空间探测、卫星通信、中继通信和射电天文学的发 展，越来越多的米波、分米波、厘米波和毫米波天线被广泛应用， 而如何测量这类天线的电参数和机械性能都遇到了一系列困难，特 别是如何精确测量这列天线的增益、噪声温度、指向精度等电参数 仍是无线电工程测量中难于解决的经典课题，而射电天文方法为大 口径天线的测量提供了途径， GSDSA 一、概述 GSDSA GSDSA 测量内容 天线系统测量的主要内容： 天线指向测量 天线辐射特性测量 GSDSA 测量的基本方法 • 射电源的选择 尽量选择点源 由于天线波束本身极窄，这就要求所选射电源的角径尽量小，否则会降低标 校 • 精度。 射电源分布均匀 选择的射电星轨迹尽量均匀分布在天球上，即在天线工作范围内均匀选择观 测 • 点，这样可以保证得到精确的轴系误差修正参数。 射电源足够强 要求所选的射电源要有足够的信噪比 GSDSA 测量的基本方法 一、天线指向测量 天线的指向误差被定义为两个参考坐标系之间的偏差，其中一个参 考坐标系是指令位置坐标系，另一个参考坐标系天线实际响应位置 坐标系。天线指向测量的目的就是测量出在整个天区中，这个两个 参考坐标系之间的偏差是多少，然后将到偏差量添加到天线的方位 指令和俯仰指令中去。偏差值定义如下： Azim uth Error A Aobserved Acommand Elevation Error h hobserved
天线测量 2009年8月28日 目录 概述 测量内容 测量的基本方法 测量要求 举例 GSDSA 概述 The first successful radio telescope: Jansky, 1932 射电天文学的诞生 GSDSA 测量内容 随着雷达技术、空间探测、卫星通信、中继通信和射电天文学的发 展，越来越多的米波、分米波、厘米波和毫米波天线被广泛应用， 而如何测量这类天线的电参数和机械性能都遇到了一系列困难，特 别是如何精确测量这列天线的增益、噪声温度、指向精度等电参数 仍是无线电工程测量中难于解决的经典课题，而射电天文方法为大 口径天线的测量提供了途径， GSDSA 一、概述 GSDSA GSDSA 测量内容 天线系统测量的主要内容： 天线指向测量 天线辐射特性测量 GSDSA 测量的基本方法 • 射电源的选择 尽量选择点源 由于天线波束本身极窄，这就要求所选射电源的角径尽量小，否则会降低标 校 • 精度。 射电源分布均匀 选择的射电星轨迹尽量均匀分布在天球上，即在天线工作范围内均匀选择观 测 • 点，这样可以保证得到精确的轴系误差修正参数。 射电源足够强 要求所选的射电源要有足够的信噪比 GSDSA 测量的基本方法 一、天线指向测量 天线的指向误差被定义为两个参考坐标系之间的偏差，其中一个参 考坐标系是指令位置坐标系，另一个参考坐标系天线实际响应位置 坐标系。天线指向测量的目的就是测量出在整个天区中，这个两个 参考坐标系之间的偏差是多少，然后将到偏差量添加到天线的方位 指令和俯仰指令中去。偏差值定义如下： Azim uth Error A Aobserved Acommand Elevation Error h hobserved hcommand observed 值得是当天线实际正对准射电源时的观测位置， command表示是上述时刻天文计算的理论值。 GSDSA 测量的基本方法 对于地平式天线，指向误差主要来自以下几个方面： 方位轴与天顶之间的偏差 方位轴与俯仰轴不正交 电轴与俯仰轴不重合。 天线结构受重力影响产生的形变和大气折射影响 将上述的所有误差项线性相加来作为整个天线的指向误差，得到如 下的表达式： A A1 A2 A3 K A h h1 h4 GSDSA 测量的基本方法 进行观测时，在观测点处对方位和俯仰都做一次扫描，可得到12个 数值 方位扫描 在扫描曲线顶点处天线方位的实际值 Ap Ap 在扫描曲线顶点处天线方位的理论计算值 Al 在顶点左侧某位置天线方位的实际值 Al 在顶点左侧某位置天线方位的理论计算值 Ar Ar A 在顶点右侧某位置天线方位的实际值 在顶点右侧某位置天线方位的实际值 A Ar A l Ap / 2 2 A A Ar A l Ap / 2 2 A A A A Hp H p Hl H l Hr H r 俯仰扫描 在扫描曲线顶点处天线方位的实际值 在扫描曲线顶点处天线方位的理论计算值 在顶点左侧某位置天线方位的实际值 在顶点左侧某位置天线方位的理论计算值 在顶点右侧某位置天线方位的实际值 在顶点右侧某位置天线方位的实际值 H H Hr H l Hp /2 2 H H H r H l H p / 2 2 H H H H GSDSA 测量的基本方法 根据天线指向模型的公式，将得到的 A, H , A, H 这两组数据换算成为最小二乘 计算所需要的数据，换算方式如下: 对于方位轴来说,假设 f i ( X ) ai1 x1 ai 2 x2 ai 3 x3 ai 4 x4 ai 5 x5 bi 对于俯仰轴来说，假设 f i ( X ) ai1 x1 ai 2 x2 ai 3 x3 ai 4 x4 bi 根据最小二乘的矩阵解法得到如下方程式 [b] [a1 a 2 a3 a 4 a5 ][ X ]关于方位轴 [b] [a1 a 2 a3 a 4 ][ X ]关于俯仰轴 GSDSA 测量的基本方法 得出的方位轴模型系数为 [ X ] [a1 a2 a3 a4 a5 ] /[b] a2 a3 a4 ] /[b] 俯仰轴的模型系数 [ X ] [a1 GSDSA 测量的基本方法 方位角误差为 A cos(h) C1 cos(h) C3 C4 cos(A) sin(h) C5 sin(A) sin(h) C6 sin(h) 俯仰角误差为 H C2 C4 sin(A) C5 cos(A) C7 cos(h) C8 cos3 (h) GSDSA 测量的基本方法 二、天线辐射特性测量 天线辐射特性包括： 天线辐射方向图 天线增益 天线系统噪声温度 天线G/T値 GSDSA 测量的基本方法 基本概念（FL5800 GJB1900-94） G / Tsys 10log 8k Y 1K1 K 2 K3 K 4 K5 / 2 S GSDSA 测量的基本方法 GSDSA 测量的基本方法 GSDSA 测量的基本方法 1、天线辐射方向图 天线辐射特性测量方法是建立满足或基本满足天线远场条件2D*D/λ，使 用天线对现有的地球同步轨道卫星或射电源进行扫描。即可得到天线E面和 H面的辐射方向图。 2、天线增益 采用3dB/10dB波束宽度法，或利用射电源测出不同旋向及频点的Y 因子，计算出天线系统G/T值，再测出相同仰角时 系统噪温Tsys，最后 计算出天线增益G=G/T+Tsys。 GSDSA 测量的基本方法 3、天线系统噪声温度测量 天线系统噪声温度测量采用常用常温负载法进行，根据LNA接常温负载和 接天线时的噪声功率差（Y因子）计算出天线系统噪温。 测试方法步骤： 连接好测试系统，将天线仰角指向G/T值测试时的射电源仰角，记录此 时环境温度T0 。 将LNA输入端连接到测试负载，记录此时的噪声功率Pload 。 将LNA输入端连接到待测天线，在频谱仪上观察显示曲线，确认天线指 向冷空后记录噪声功率Pant 。 计算出天线系统噪声温度TA。 GSDSA 测量的基本方法 计算： 按以下公式计算出天线系统噪声温度TA： YdB＝Pant－Pload (dB) Y＝10YdB/10 Tsys＝Y（TH ＋TLNA ) TA ＝Tsys－TLNA 式中：TLNA 为场放噪温(已严格标定) TH ＝273°K＋T0 T0：为测试时常温负载所处的环境温度 GSDSA 测量的基本方法 4、天线系统G/T値测量 利用射电源，采用Y因子法可测量出天线系统的G/T值，并根据下列公式计 算出天线系统G/T值 G / Tsys 10log 8k Y 1K1 K 2 K3 K 4 K5 / 2 S 式中：k=1.38×10-23J/K GSDSA 测量的基本方法 K1：考虑大气衰减后的修正因子； K 10A0 / 10 sin (θ≥4°) 1 A0—天顶方向（仰角90°）大气衰减，（dB）; θ—天线仰角，（度）。 K2：与射电源角径有关的修正因子； 2 2 (θA /θS≥0.55) K 1 0.18 2 S A θS—射电源的视在角径; θA—天线半功率波束宽度（度）。 GSDSA 测量的基本方法 K3：为射电源功率通量密度随时间变化修正因子； 仙后座A的功率通量密度随时间的递减和频率有关，K3由下式给出： K3 0.042 0.0126lg f N dB 式中：ΔN：为从1965年1月起所经过的年数， f：为频率（GHz） 金牛座A和天鹅座A的功率通量密度不随时间变化，即K3=1; K4：为射电源功率通量密度随频率变化修正因子； 仙后座A、金牛座A和天鹅座A功率通量密度随频率的变化因子见下表 频段 修正因子 S-Band 2.5×10-1(dB) X-Band 3.75×10-1(dB) Ka-Band 2.0(dB) 备注 GSDSA 测量的基本方法 K5：为射电源功率通量密度随极化变化修正因子； 对圆极化天线，K5由下式计算： K5 1 d cos2(arcctgr) 式中：d：为射电源的极化角； r：为天线轴比。 当用仙后座A作射电源时，不需要考虑极化的影响，即K5=1。 λ：测试波长；单位为米（m） S：为基准时间、基准频率上射电源辐射通量密度流，单位为W/m2/Hz； GSDSA 测量要求 测量条件 环境条件 如无特殊要求，测量应在正常试验的标准大气压条件下进行。 温度 15~35℃ 相对湿度 20%~80% 气压 86~106KPa GSDSA 注意事项 在测量中，各种调整装置应保持不变（规定调整的装置除外）， 设备内部的部件、测试期间不得变动安装位置； 除测量信号外，在测量频带内不应有其它信号或杂散信号存在， 以防止产生测量误差。 GSDSA 电源条件 用于被测设备的电源电压、频率、波形和阻抗应符合被测设 备详细规范的规定。 测量仪器条件 测量前，所有测试仪器应经过计量部门检定，并在检定有效期 内使用； 自制设备也应进行检定； 使用仪器的精度不应低于实验条件允许误差的三分之一 GSDSA 举例 50米天线测量系统 天线、馈源、高频接收机、辐射计、标校计算机、记录仪、数 据处理软件 馈源 ACU计算机 接收机 辐射计 记录仪 标校计算机 GSDSA 辐射计是整个天线测量的核心部件，主要功能是对高频接收机 输出的中频信号进行放大、平方率检波和积分。由射频部分和 数字部分组成。 经过辐射计后，天线将接收到的功率信号转换为响应的电平值 输出 输入 -20dBm -60dBm 平方率 检波器 程控衰减器 0-40dB 带通滤波器 0.5-1G G 0.5-1G 20dB BPF 0.1s, 0.5s, 1s 可选 模拟输出 积分网络 G 自动零点 补偿器 0.5-1G 20dB KeyBoard MPU 数字微处理器 12bit A/D RS232 数字接口 GSDSA 主要技术指标如下： 输入功率：-20dBm～ -60dBm 工作频率及带宽（3dB）：中心频率720MHz；带宽±100MHz 线性： 3dB动态时，非线性压缩≤0.05dB 输出电压：0～5V，12-bit数字输出和模拟输出 增益漂移：≤0.2%每小时（预热一小时后） 中频衰减：0~40dB连续可调 时间常数：小于5s，三档可调 低频放大器增益调整：0、3、5、10dB四档可调 偏置补偿：输出电压在0～5V的工作范围内，可自动补偿 数字输出：标准的9针 RS232 接口 GSDSA 观测软件： 观测软件的主要 功能是射电源计 算、天线引导、 观测数据采集、 存储、观测设备 状态监视等 主控程序 人 机 交 互 模 块 射 电 源 计 算 模 块 天 线 引 导 模 块 观 测 数 据 管 理 模 块 设 备 监 控 模 块 接 口 模 块 GSDSA 数据处理软件 主控程序 人 机 交 互 模 块 指 向 数 据 处 理 模 块 系 统 噪 声 温 度 模 块 系 统 G/T 值 模 块 GSDSA 举例 50米天线指向测量 天线主要技术指标： 工作频率 UHF频段： 314～342MHz 581～641MHz L频段： 2.2～2.3GHz S频段： 2.2～2.3GHz X频段： 8.4～8.5GHz Ku频段： 8.4～8.5GHz 波束： UHF频段：1.1300(345.894MHz) 0.6469(611.000MHz) L频段：0.2775(1537.527MHz) S频段：0.1675(2509.250MHz) X频段：0.0613(7600.000MHz) Ku频段：0.0470(12251.063MHz) GSDSA 举例 50米天线指向测量 射电源 所选射电源为： 3C273B 3C454.3 3C144（金牛座） 3C405（天鹅座） 3C461（仙后座） 3C286 3C380 3C279 3c345等， GSDSA 举例 天线指向并程序跟踪射电 星，调整天线角度使得辐 射计输出最大。 方位（俯仰）左偏0.02° （下偏0.02°），记录辐射 计输出电压V1。 方位（俯仰）右偏ΔA° （上偏ΔE°），记录辐射 计输出电压V2 。 N V1=V2？ Y 记录此时天线方位（俯 仰）角度及ΔA（ΔE）角 度。 GSDSA 举例 50m天线指向观测数据（部分） ΔA ΔE 方位角 ΔA ΔE 42.0000 0.0444 0.0639 346.0000 11.0000 0.0333 0.1194 134.0000 41.0000 0.0194 0.0667 126.0000 50.0000 0.0222 0.0611 90.0000 52.0000 0.0389 0.0611 299.0000 30.0000 0.0389 0.1194 322.0000 62.0000 0.0917 0.1111 302.0000 24.0000 0.0333 0.1222 319.0000 58.0000 0.0778 0.1083 306.0000 20.0000 0.0333 0.1250 317.0000 54.0000 0.0611 0.1111 311.0000 14.0000 0.0333 0.1278 316.0000 50.0000 0.0667 0.1139 314.0000 11.0000 0.0306 0.1250 方位角 82.0000 俯仰角 俯仰角 GSDSA 举例 50m天线指向校正模型参数 方位参数x 俯仰参数 x1 0.01081 x1 0.01081 x 2 16.75 x 2 16.75 x3 0.00308 x3 0.03918 x 4 0.06442 x 4 0.02847 x5 0.037358 GSDSA 举例 50米天线指向精度进行校 正后精度： 方位方向为13.5″ 俯仰方向为17.5″ 总指向精度22.1″ 天线指向校正后指向位置与目标实际位置的偏差 GSDSA 测量的基本方法 50米天线天线辐射方向图 根据天线所在的位置和卫星的定点 位置，计算出天线的指向角度，并 通过ACU将天线对准工作卫星， 利用卫星信号对天线方向图进行测 试。 GSDSA 测量的基本方法 GSDSA 测量的基本方法 50米天线增益 依据SSOG-210计算归算到馈源出口天线增益为： 1 31000 91000 G 10 lg 2 3dBAz 3dBEl 10 dBAz 10 dBEl 其中， GF 为馈源损耗，面精度损耗为 为天线面板精度。 GF G G 685.8 2 GSDSA 测量的基本方法 波束宽度 技术要求 频率 表面 公差 馈源 插损 测量结果 (MHz) 效率 (%) 增益(dBi) 3AZ 3EL 10AZ 10EL (mm) (dB) 效率 (%) 增益 (dBi) 345.894 55 42.56 1.1300 1.2533 2.0033 2.2400 1.06 0.50 57.29 42.74 611.000 55 47.50 0.6469 0.7109 1.1450 1.2511 1.06 0.50 57.01 47.66 1537.527 50 55.10 0.2775 0.2700 0.4762 0.4700 1.06 0.20 60.17 55.91 2509.250 50 59.36 0.1675 0.1733 0.2971 0.2979 1.06 0.30 55.96 59.85 7600.000 48 64.37 0.0613 0.0642 0.1048 0.1124 0.75 0.30 58.66 68.37 12251.06 3 40 67.73 0.0470 0.0472 0.0836 0.0801 0.75 0.20 62.8 70.3 GSDSA 测量的基本方法 50米天线G/T 値测量 采用GJB1900-94 中201方法进行 测试步骤 1）标校计算机引导ACU随动射电源，用手动控制方 式微调天线角度，使接收功率保持最大；记录接收电 平P1及中频精密衰减器的衰减量a1(dB)。 2）将天线在同一仰角上朝射电源运行相反的方向上 偏移一定角度，使其指向冷空，改变中频衰减器的衰 减量，使接收电平P1保持不变。记下此时中频精密 可变衰减器的衰减量a2(dB)。 Y 10a1 a 2 / 10 3）计算Y因子， 为了减小测量误 差，提高测量精度，可对同一个射电源多测几组数据 取平均值。 4）计算出天线系统G/T值。 ， GSDSA 谢谢！ GSDSA