用频谱仪测量卫星信标EIRP及误差分析

王　海，秦顺友，陈　辉

(中国电子科技集团公司 第五十四研究所， 河北 石家庄　050081 )



用频谱仪测量卫星信标EIRP及误差分析

王海，秦顺友，陈辉

(中国电子科技集团公司 第五十四研究所， 河北 石家庄050081 )

摘要:提出了利用频谱仪和标准增益喇叭测量卫星信标EIRP的原理方法，推导出卫星信标EIRP测量的原理方程。简述了大气衰减计算的简单公式和近似计算方法。对卫星信标EIRP测量误差进行了分析，结果表明其均方根误差≤±0.614dB。最后给出了测量实例，从而验证了该方法的可行性。

关键词:频谱仪；标准增益喇叭；卫星信标；EIRP测量；误差分析

卫星信标是表征卫星存在和特征的一种特殊信号，卫星信标EIRP(equivalent isotropic radiated power，等效全向辐射功率)是卫星信标信号的重要性能指标之一，它等于卫星天线发射增益与发射功率的乘积[1，2]。卫星信标的应用广泛[3-5]，例如利用卫星信标可实现地面站系统G/T值和载噪比等性能测量；其次可用卫星信标测量地面站天线方向图、增益和交叉极化等性能指标；再者卫星信标可用作地面站系统跟踪和监测等。因此精确测量卫星信标大小及其稳定性是非常重要的。本文提出了利用频谱仪和标准增益喇叭测量卫星信标EIRP的方法，简述了测量方法程序，并给出测量实例。实践证明：该方法是切实可行的，在实际工程测量中值得推广和应用。

1测量原理和方法

利用标准增益喇叭测量卫星信标EIRP的原理方框图如图1所示。图1中LNA为高增益低噪声放大器，且其增益精确标定，低噪放大器输入端口要求为波导口，可与标准增益喇叭直接连接，以减少测量误差；标准增益喇叭要求为高增益标准喇叭，且增益已知，例如常用的X波段、Ku波段和Ka波段标准喇叭，其增益要求大于或等于25dBi；安装标准增益的装置方位、俯仰和极化的调整，从而实现标准喇叭与卫星精确对准。

图1　卫星信标EIRP测量的原理方框图

利用标准增益喇叭测量卫星信标EIRP的原理方法是：按照图1建立测试系统，利用卫星信标，调整标准增益喇叭指向卫星，微调安装喇叭装置的方位和俯仰，使频谱分析仪接收的卫星信标信号最大，微调标准增益喇叭的极化使其与卫星信标极化匹配，此时认为待测天线的波束中心已对准卫星，则用分贝表示的频谱分析仪测量卫星信标信号的功率电平为[6，7]：

Pm=EIRPs-LP-Latm+GS+GLNA-LRF

(1)

式中：

Pm―频谱分析仪测量的信号功率电平，dBm；

EIRPs―卫星信标EIRP，dBm；

LP―自由空间传播损耗，dB；

Latm―大气衰减，dB；

GS―标准喇叭增益，dBi；

GLNA―低噪声放大器增益，dBi；

LRF―标准天线和频谱分析仪之间射频电缆损耗，dB。

由式(1)可求得卫星信标EIRP为：

EIRPs=Pm+LP+Latm-GS-GLNA+LRF

(2)

式(2)为卫星信标EIRP测量原理方程。式中GS已知，低噪声放大器增益GLNA和电缆射频衰减LRF通过测量获得。已知地面站位置和卫星经度，地面站天线到卫星的距离为[8]：

(3)

式中：d―测试点至卫星的距离,m；

φ―地面站纬度，°；

Δλ―地面站经度与卫星经度差，°；

H―星下点到卫星的距离，35860km；

R―地球的半径，6373km。

计算出地面站到卫星距离，则自由空间传播损耗为：

(4)

式(4)中λ为工作波长。

大气衰减Latm是频率、天线仰角和大气层的函数。它随频率的增加而增加，随天线仰角的增大而减小。假定测量条件为晴朗天空，并且大气层被模型化为标准大气层，当天线仰角在5°～90°时，用分贝表示的大气衰减Latm为[9，10]：

(5)

式中：

EL—天线仰角，°；

γ0—干燥空气与频率相关的衰减因子，dB/km；

h0—干燥空气的有效大气路径，km；

γw—水蒸气与频率相关的衰减因子，dB/km；

hw—水蒸气的有效大气路径，km。

式(5)中的γ0、h0、γw和hw可用Rec.ITU-R P.676-7给出的近似公式进行计算。图2给出了天顶方向，1～30GHz标准大气的衰减曲线。一般工程测量中，由图2确定天顶方向的大气衰减Latm90，利用下式近似计算不同仰角的大气衰减。

(6)

图2　标准大气天顶方向的大气衰减曲线

由上面分析可知：只要用标准增益喇叭测量出其接收的卫星信标信号的电平，很容易确定出卫星信标EIRP的大小。如果卫星信标为圆极化，则用标准增益喇叭分别测量出水平极化和垂直极化的卫星信标EIRP，分别用EIRP//和EIRP⊥表示，卫星信标的EIRP为：

EIRPs=10×log(10EIRP///10+10EIRP⊥/10)

(7)

2测量误差分析

由式(2)的卫星信标EIRP测量方程可知，利用标准增益喇叭测量卫星信标EIRP的主要误差有：卫星信标信号电平的测量误差、卫星信标EIRP不稳定度引起的测量误差(卫星信标EIRP不稳度一般≤±0.5dB)、标准喇叭的增益校准误差、自由空间传播损耗引起的测量误差、大气衰减引起的测量误差、射频电缆插入损耗校准引起的测量误差、极化损失误差、天线指向损耗误差和低噪声放大器增益测量引起的误差等。表1所示为卫星信标EIRP测量均方根误差的估算结果。由表1可知利用标准增益喇叭测量卫星信标EIRP的均方根误差小于或等于±0.614dB。

表1　卫星信标EIRP值测量的均方根误差

3测量实例

图3　卫星信标EIRP测量实际装置图

这里以中星10号卫星水平极化信标为例，说明用标准增益喇叭测量卫星信标EIRP的方法程序。图3所示为实际测试装置图。

测试时间为2015年10月27日下午，测试地点石家庄，天气晴。已知卫星的轨道位置为110.5°E，水平极化信标频率12.745GHz，标准喇叭增益为25.4dBi，射频测试电缆损耗7.31dB，低噪声放大器增益为61.38dBi，自由空间传播损耗为206.01dB，大气衰减为0.09dB。

按照图2所示测试原理装置，调准标准喇叭的方位和俯仰，使喇叭波束中心对准卫星，微调喇叭极化与卫星信标极化匹配，然后在微调标准喇叭的方位和俯仰，此时认为标准增益喇叭指向对准卫星，且极化匹配，频谱仪接收的卫星信标信号最大，用频谱仪码刻测量的卫星信标信号电平为-67.40dBm(此值为频谱仪5次平均结果)，利用式(2)计算卫星信标EIRP为59.23dBm，即29.23dBW。

4结束语

卫星信标是表征卫星存在和特征的一种特殊信号，是卫星的重要性能参数之一。本文介绍了利用标准增益喇叭测量卫星信标EIRP的方法，分析了其测量误差。讨论了大气衰减近似计算方法，给出了便于工程应用的数值曲线。最后，给出了工程测量实例，验证了该方法的可行性。实践证明：该方法是切实可行的，在卫星信标EIRP测量中，具有推广和工程应用价值。

参考文献：

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[6]秦顺友,许德森.卫星通信地面站天线工程测量技术[M].北京：人民邮电出版社,2006.

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[9]梁冀生.Ka频段卫星通信地空链路的大气衰减[J].无线电通信技术,2006,32(1):56-58.

[10]Rec.ITU_R P.676-9.Attenuation by atmospheric gases[S].2012.

Measurement and error analysis of satellite beacon EIRP using spectrum analyzer

WANG Hai,QIN Shun-you,CHEN Hui

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Abstract:In this paper,measuring principle and method of satellite beacon EIRP are put forward using spectrum analyzer and standard gain horn.Principle equation of measuring satellite beacon EIRP is derived.A simple formula and approximate method of attenuation calculation by atmospheric gases are described simply.Errors of satellite beacon EIRP measurement are analyzed,results show that RMS error of EIRP measurement is loss than or equal to ±0.614dB.At last,measuring example is given,and the method feasibility is proved.

Keywords:Spectrum analyzer; Standard gain horn; Satellite beacon; EIRP measurement; error analysis

中图分类号：TM933.3

文献标识码：A

文章编号：1001-9383(2016)01-0022-05

作者简介:王海(1975-)，男，河北廊坊人，高级工程师，主要从事研究的领域为：微波与天线测量技术.

收稿日期：2016-01-05