梁衛(wèi)東

內(nèi)蒙古新聞出版廣電局501臺 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010070

引 言

卡塞格倫天線是雙反射面天線，主反射面是旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面采用旋轉(zhuǎn)雙曲面設(shè)計(jì)，副反射面的加工精度要比主反射面的加工精度要求高，天線的加工精度直接影響天線的電氣性能指標(biāo)。501 臺12 米天線主反射面鏡面精度≤0.5r.m.s（均方根），副反射面鏡面精度≤0.15r.m.s。此外，天線的總裝調(diào)測精度也是至關(guān)重要的，以確保實(shí)現(xiàn)天線的高效率、高增益和低旁瓣的優(yōu)良性能。12 米天線的電氣性能指標(biāo)主要有天線方向圖、天線增益、天線旁瓣特性、天線極化隔離度測試。

1 天線方向圖

天線方向圖是天線輻射功率在偏離中心不同角度的相對信號大小，表示天線在不同角度的增益值。天線方向圖有直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系表示法，在天線技術(shù)指標(biāo)測試中被廣泛使用。

天線方向圖中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)參數(shù)之一是半功率角，也稱3dB 帶寬。天線半功率角指從輻射峰值點(diǎn)向軸兩側(cè)下降3dB 點(diǎn)的角寬度，即主葉瓣上場強(qiáng)為峰值點(diǎn)場強(qiáng)的1/√2=0.707 時的角度，此時功率下降為中心點(diǎn)一半。拋物面天線波束的半功率點(diǎn)寬度近似為70λ/D，λ為工作波長，D為天線直徑，也可以從天線方向圖中測得。和上述3dB 帶寬類似的還有10dB 帶寬，在方向圖中也經(jīng)常用到。收發(fā)兩用天線的方向圖包括：發(fā)射方向圖和接收方向圖測試。

1.1 天線發(fā)射方向圖測試

發(fā)射方向圖包括：方位和俯仰方向圖測試。501 臺使用東經(jīng)125°衛(wèi)星進(jìn)行測試，調(diào)制器發(fā)射單載波信號，測試不能使用調(diào)制波，信號電平為-19dBm，上變頻器發(fā)射頻率為5935MHz，并在輸入端加30dB 衰減器，四端口網(wǎng)路接垂直極化端口，固態(tài)功放發(fā)射功率為2.4 瓦，要確保功率合適，保證測試具有一定的動態(tài)范圍。步驟為：將12 米衛(wèi)星天線對準(zhǔn)該衛(wèi)星，天線當(dāng)前方位角是160.85°，俯仰角40.92°，極化-10°。首先，俯仰角固定不變，方位角從當(dāng)前角度變化正負(fù)2°，將天線手動調(diào)到158.85°，即從158.85°開始轉(zhuǎn)動到162.85°結(jié)束。接著使方位角變化正負(fù)16°，即從144.85°開始轉(zhuǎn)動到176.85°結(jié)束。接下來方位角不變，讓俯仰角變化正負(fù)1°，從39.92°開始轉(zhuǎn)動到41.92°結(jié)束。使俯仰角變化正負(fù)12°，從28.92°開始轉(zhuǎn)動到52.92°結(jié)束。對端測試站使用自己的衛(wèi)星天線接頻譜儀測試501 臺發(fā)射天線方向圖。圖1 是衛(wèi)星公司使用正負(fù)3°角度范圍做的方向圖，表1 為圖1 測試得到的數(shù)據(jù)。表1 中12米天線的半功率角為0.25 度，因此，日常工作時須保證很高的指向精度，時常要對天線進(jìn)行自動跟蹤。圖1 的方向圖左邊第一旁瓣和右邊第一旁瓣分別為-14.493dB 和-14.894dB，低于14dB，滿足相關(guān)要求。

圖1 方位偏離主軸3 度時的方向圖

1.2 天線接收方向圖測試

接收方向圖也包括測方位和俯仰方向圖，使用衛(wèi)星自己的信標(biāo)信號做測試信號，501 臺12 米天線在四端口網(wǎng)絡(luò)接矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)同軸接頭，通過電纜連接頻譜儀，通過頻譜儀進(jìn)行測量。與發(fā)射方向圖測試角度一樣，一般窄角度用偏離主軸正負(fù)3 度，寬角度用正負(fù)15 度測試。

表1 方位偏離主軸3 度時主要測試數(shù)據(jù)

頻譜儀設(shè)置方法：將頻譜儀的span 值設(shè)置為0，相當(dāng)于進(jìn)行時域的分析，此時頻譜儀相當(dāng)于一臺示波器，頻譜儀橫坐標(biāo)單位是時間，sweep 設(shè)置為50秒（根據(jù)天線轉(zhuǎn)動時長設(shè)置該值，一般要大于天線轉(zhuǎn)動的時長），使用single sweep 即單次掃描。使用clear write 和Black A 配合使用完成測試。Res BW 設(shè)置在100～300Hz 為宜，帶寬相對要小，以提高單載波的動態(tài)范圍，便于觀察測量，同時不能太小如10Hz，信號不能進(jìn)入頻譜儀中頻濾波器，無法測量。VBW 設(shè)置在100～200Hz。

2 天線增益

天線增益跟天線的口徑有關(guān)系，也跟天線的波長有關(guān)系，還有跟天線的效率有關(guān)系。天線的效率是一個固定值，從50%～75%。一般的天線能達(dá)到50%，好一點(diǎn)的天線能達(dá)到60%，最好的天線可達(dá)到70%。增益跟天線口徑的平方成正比，跟波長的平方成反比，也就是說跟頻率的平方也是成正比的。同樣的工作條件下，12 米發(fā)射天線和6 米天線相比的話，增益要高4 倍或者說增益大6dB?？趶皆酱蟮奶炀€，它的增益越高。工作頻率越高的天線，增益越高。利用下面的公式，即可計(jì)算天線的增益：

其中：AZ3 是方位方向圖3dB 波束寬度（度），AZ10 是方位方向圖10dB 波束寬度（度）；EL10 是俯仰方向圖10dB 波束寬度（度）；EL3 是俯仰方向圖3dB 波束寬度（度）；上述4 個角度都可以在方向圖中測出。G 是待測天線增益（dBi）；Lf 是主反射面的精度誤差導(dǎo)致的天線增益損失。La 代表饋源插入損耗（dB）。表2 為501 臺12 米C 波段天線在發(fā)信和收信時所測得的增益。表2 中12 米發(fā)信天線和收信的增益分別為56.36 和53.42，高于該指標(biāo)的技術(shù)要求。

另一種使用天線實(shí)測方向圖計(jì)算天線增益的方法是積分法，采用的基本原理就是通過數(shù)學(xué)公式求各包絡(luò)與橫坐標(biāo)所形成面積之和，矩形分割各包絡(luò)再積分計(jì)算面積。本文不再做詳細(xì)介紹。

3 天線旁瓣特性

天線方向圖主瓣以外的波瓣為旁瓣。旁瓣應(yīng)抑制到盡可能低的水平，就如能量守恒，要確保能量要集中到主瓣上，而旁瓣要少，這樣才能產(chǎn)生更高的增益。但是它的功率不可能完全集中在主瓣上，可能分布在主瓣以外的旁瓣上，所以叫旁瓣。廣電總局要求第一旁瓣要低于主瓣14dB，即在功率上要低于主瓣25 倍。旁瓣包絡(luò)的要求為一個分段函數(shù)即：超過下述包絡(luò)的同極化和交叉極化旁瓣峰值電平不應(yīng)多于10%。

29-25 lg（θ）dBi（1°≤θ≤20°）；

表2 12 米天線增益測試數(shù)據(jù)

-3.5 dBi（20°≤θ≤26.3°）；

32-25 lg（θ）dBi（26.3°≤θ≤48°）；

-10 dBi（θ≥48°）。

廠家技術(shù)人員通過使用電子經(jīng)緯儀調(diào)整12 米天線副反射面的調(diào)整桿來滿足第一旁瓣低于主瓣14dB 的要求，可能需要進(jìn)行多次調(diào)整，測試時廠家技術(shù)人員通過3 次精調(diào)副反射面實(shí)現(xiàn)了這一要求。通常要對方位和俯仰均做旁瓣包絡(luò)測試，使其指標(biāo)都滿足要求。圖2 為方位偏離主軸15 度時的旁瓣特性。圖1 為方位偏離3 度時的旁瓣特性。圖1 和圖2 中左右第一旁瓣均滿足低于主瓣14dB 的技術(shù)要求，旁瓣包絡(luò)也符合上述分段函數(shù)的要求。

圖2 方位偏離主軸15 度時的旁瓣特性

4 天線極化隔離度

為了提高衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的頻譜效率，通常采用正交頻率復(fù)用，這樣一來就必須保證其反極化泄露盡可能的小，以免影響轉(zhuǎn)發(fā)器上的反極化業(yè)務(wù)。同樣，如果是接收天線，若極化隔離不好，接收主極化信號的同時會收到反極化信號而影響正常使用。因此，必須保證有足夠的極化隔離度保障正、反極化信號的正常使用。我國規(guī)定天線的極化隔離度大于33dB，即反極化信號降低了1995 倍。12 米天線雖然是電動調(diào)整極化，通過天線控制器可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制其旋轉(zhuǎn)，但是必須與中國衛(wèi)通公司密切配合將極化調(diào)整到最佳狀態(tài)，指標(biāo)大于33dB 的要求，一般衛(wèi)通公司會找一個沒有反極化業(yè)務(wù)的頻點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和測試。圖3 為方位偏離主軸3 度時的交叉極化隔離度測試，其中X-pol（Co-pol-1dB）Left 表示主軸左側(cè)增益下降1dB時正反極化隔離度為-32.6356dB。X-pol（Co-pol-1dB）Right 表示主軸右側(cè)增益下降1dB 時正反極化隔離度為-30.7796dB。表3 為12 米天線交叉極化隔離度測試結(jié)果。從表3 可以看出，發(fā)射和接收極化隔離度符合技術(shù)要求，同時也符合總局的要求。

表3 12 米天線交叉極化隔離度測試結(jié)果

圖3 方位偏離主軸3 度時的交叉極化隔離度測試

5 天線入網(wǎng)測試程序

12 米天線雖然滿足了上述電氣性能技術(shù)指標(biāo)，按照衛(wèi)星公司的要求，在天線進(jìn)入在線播出系統(tǒng)前，還需要進(jìn)行極化調(diào)整并對載波上行功率進(jìn)行標(biāo)定。

5.1 天線入網(wǎng)測試注意事項(xiàng)

為保證測試期間，內(nèi)蒙古衛(wèi)視載波使用的頻段內(nèi)，無非法載波的惡意干擾。501 臺使用備份系統(tǒng)在S5 轉(zhuǎn)發(fā)器上行測試單載波并對12 米天線的極化隔離度進(jìn)行調(diào)整，然后由12 米天線上行內(nèi)蒙古衛(wèi)視載波進(jìn)行功率標(biāo)定。鑒于501 臺當(dāng)前使用11米天線工作時功放輸出功率為200W，考慮到今后主備天線切換時，無需調(diào)整輸出功率，便于播出操作，12 米天線工作時，功放輸出最好也為200W。

在501 臺測試時，告知工作在同轉(zhuǎn)發(fā)器的湖北地球站、青海地球站密切注意各自載波的播出質(zhì)量。

5.2 天線入網(wǎng)測試步驟

（1）測試開始前，衛(wèi)星公司電話通知總局監(jiān)管中心和S5 轉(zhuǎn)發(fā)器用戶上行站。

（2） 501 臺將在 S5 轉(zhuǎn)發(fā)器3801.2MHz（衛(wèi)星公司指定）頻點(diǎn)上使用其備份系統(tǒng)上行單載波，上行單載波前將功放的衰減設(shè)置最大，避免上行單載波功率過大，影響S5 轉(zhuǎn)發(fā)器業(yè)務(wù)載波的正常工作。

（3）衛(wèi)星公司對501 臺的12 米天線極化隔離度進(jìn)行調(diào)整，天線的極化隔離度應(yīng)大于33dB。

（4）衛(wèi)星公司電話通知S23 轉(zhuǎn)發(fā)器的湖北、青海地球站，內(nèi)蒙古地球站進(jìn)行載波功率標(biāo)定。

（5） 501 臺調(diào)整 12 米天線極化后，在 S23 轉(zhuǎn)發(fā)器代發(fā)內(nèi)蒙古衛(wèi)視載波，功放輸出功率設(shè)置200W。

（6）衛(wèi)星公司根據(jù)“功帶平衡”原則、轉(zhuǎn)發(fā)器非線性特性、抗干擾需求和同轉(zhuǎn)發(fā)器用戶功率分配情況，最后綜合考慮后確定我臺功放的輸出功率，完成對我臺12 米天線上行載波功率標(biāo)定。

（7）電話通知總局監(jiān)管中心測試完成。

結(jié)束語

上述測試項(xiàng)目是衛(wèi)星天線入網(wǎng)測試中必測項(xiàng)目，但是測試項(xiàng)目不限于上述項(xiàng)目內(nèi)容，還有天線噪聲溫度、天線移動范圍測試等項(xiàng)目，這些不是本文關(guān)注的焦點(diǎn)，在這里不再介紹。衛(wèi)星地球站的發(fā)信天線通過上述指標(biāo)的測試基本就滿足了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營要求，可以進(jìn)行衛(wèi)星傳輸業(yè)務(wù)了。