天线方向性图的测量

高彤鼎

对于一面发射天线，如果有另一面性能较好的接收天线相配合，就可以测定发射天线的发射方向图。对于一面接收天线，如果有一面发射天线相配合，就可以测定接收天线的接收方向图。只是在测定方向图时，不管被测的是发射天线还是接收天线，都需要有电动伺服系统，能够平稳地、连续地在方位面和俯仰面上进行调整。用来配合测试的天线可以与被测天线处于同一地球站内，也可以处在地理位置相隔较远的地球站上。

这种测定天线方向性图的方法，称为“辅助地球站测量法”。要想测定发射天线的方向性图，则与之配合的接收天线就是“辅助地球站”；要想测定接收天线，则与之配合的发射天线就是“辅助地球站”。这种测量法与其它一些方法相比有以下优点：一是既能测接收方向图，又能测发射方向图；二是测量的角度范围比较大，能够测到远旁瓣；三是测量的结果比较准确，测量精度在可控范围内。

使用这种测量方法，不论是测量发射方向性图还是测量接收方向性图，都必须向卫星发射一个不加调制的单载波，且要求其频率和功率都十分稳定。上行功率的确定要考虑两个方面的因素，一方面上行功率要足够大，以保证在天线转动到远旁瓣时仍能接收到信号；另一方面，上行功率又不能过大，避免使卫星转发器进入饱和状态，一旦转发器处于饱和状态，会影响方向性图在主瓣附近的细节，还会影响主瓣与旁瓣之间的电平关系。如图1（a）所示，某天线在测试时因为上行发射功率太大导致转发器饱和，主瓣被压缩，主瓣与旁瓣的电平差不符合指标要求；而在调小发射功率后再测，结果就正常了，见图1（b）。所以，确定上行功率时需要得到卫星测控站的帮助，只要确认在天线主瓣对准卫星时转发器未饱和即可。

上行功率的确定还要兼顾测试接收机的性能，以保证接收机工作在线性范围内，避免由于接收机的原因导致测量误差。在测量中还需注意，尽可能不使用LNB（低噪声下变频单元），而应使用LNA（低噪声放大器），且放大器中不可启用AGC（自动电平调整）功能。这些因素都会严重影响测量的精度。

根据有关规定的要求，天线方向性图的测定范围一般不小于±15度，在此情况下，方向性图主瓣和远旁瓣的电平差至少在30分贝以上，如果上行功率的电平大小难以兼顾这么大的范围，也可把方向图分成两部分来测，即用较小功率来测定主瓣附近的方向图，而用较大功率来测定旁瓣（包括近旁瓣和远旁瓣）的方向图。在通常的测试条件下，测定的角度范围可以小一些，比如±10度，这时的主瓣和远旁瓣的电平差会稍小一些，上行的发射功率就比较容易确定了。

在开始测量之前，还需要了解天线的转动速度。通常天线生产厂家都会在说明书中提供这一指标（比如0.02-0.03度/秒），可以根据这个速度结合需要转动的角度来估算转动时间。如果查不到这一速度指标，就需要实测一下。可以先把天线的方位或俯仰偏离正常位置15度（或其它度数），记录一下所需的转动时间。实际上天线的伺服电机的转动速度是均匀的，但由于机械结构的关系，单位时间内天线面转动的角度并不是均匀的。但不管怎样，天线所需的转动时间对于测量来说很重要，因为需要用它来设定频谱（记录）仪的扫描时间。

有时天线对准卫星时的方位正好接近两个驱动扇面的切换点或是接近天线的转动极限，天线转不了几度就无法继续转动了。这时的解决方法有两个，一是换一颗卫星进行测试，二是减小测试的角度范围，能测几度测几度。

用辅助地球站法测量天线方向性图所需的仪器也比较简单，一般说来有一台频谱分析仪就可以了，必要时还可以准备一个精密衰减器，用来进行电平校准。但是接收天线上需要使用一个LNA（低噪声放大器），如果使用LNB（低噪声下变换器，俗称高频头）的话，会因为其动态范围不够或线性度不好，或是在变频过程中产生一些误差而影响测量结果。

测试时的设备和仪器连接如图2所示。如果被测的是发射天线，就让发射天线转动起来，由接收天线记录测试结果，此时接收天线是所谓“辅助站”；如果被测的是接收天线，则由发射天线提供测试信号，接收天线进行转动并记录测试结果，此时发射天线是“辅助站”。

实际中测得较多的是天线的发射方向性图。图3所示的是对一架7.3米发射天线水平方向图所作的测量，测量的范围为±5度，扫描时间为510秒。

在对天线进行方位方向性图测量时，由于天线空间方位的平面指向角不同于天线的水平方位角，所以还需对测量值进行修正。如果天线的水平方位角是φAZ，天线的空间方位平面指向角是是θAZ，天线在垂直方向的仰角是δEL，则三者之间有以下关系：

可见，空间的平面指向角与水平方位角是存在着不小差距的，且天线的俯仰角度越大，这个差距就越大。在实际测量时，需要考虑到这个因素。一方面，天线水平方位转动的范围要适当地增大一些，比如要测量±10度范围内的方位方向性图，则天线水平方位角的转动范围可能需要在±15度左右；另一方面，在实际测量中，测试仪器记录的方位方向性图是按水平方位角来展开的，需要折算到空间方位的平面指向角。比如在确定主瓣宽度的时候，如果按测得的方向性图直接测算，则得出的主瓣宽度必然大于实际值。

与水平方位角不同，由于天线空间方位的垂直指向角与天线的仰角是一致的，所以俯仰方向性图的测量范围与天线仰角的实际转动范围是一致的，不必进行修正。

随着太空中卫星数量的增多，对发射天线的性能要求也在不断提高，以尽可能减少对邻星的干扰。而测定的天线方向性图就是确定天线是否合格的依据。对于不合格的发射天线，卫星公司是不允许其入网的。