卫星通信地球站G/T的测量方法*

秦焕丁，娄景艺，屈晓旭

（海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033）

卫星通信地球站G/T的测量方法*

秦焕丁，娄景艺，屈晓旭

（海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033）

地球站的品质因数（G/T值）是卫星通信系统中十分重要的指标，而设备在使用过程中随着器件的老化，G/T值会逐渐下降。因此，需要一种简单易行的地球站G/T值测试方法，以便使用者掌握设备状态。以G/T值为例，研究卫星通信地球站射频效能标定方法，并基于卫星便携站和频谱仪搭建典型系统，运用直接法测量天线的G/T值。实验结果表明，考虑到各种误差因素在内，G/T值的误差在1 dB/K左右，说明此方法很好地验证了天线G/T值标定方法的可行性。

卫星通信；地球站；射频指标；品质因数

0　引 言

卫星通信具有容量大、成本低、抗干扰性能强、覆盖面积广、通信距离远等优良特点，已成为舰船通信的重要手段。地球站包含很多射频指标[1]，有些指标在使用过程中会逐渐下降而需要标校，有些指标很长时间不会发生变化。为了更好地维护和保养地球站，就要对地球站的射频指标进行学习，需要解析卫星通信地球站射频指标对卫星通信系统的影响，以及针对这些指标的标定方法。目前，衡量地球站射频性能的主要技术指标有天线增益、波束宽度、等效全向辐射功率（EIRP）、馈线损耗、1 dB压缩点输出功率、等效噪声温度和噪声系数、接收系统的品质因数（G/T）等。

表1是地球站各个射频指标对通信系统的影响。如表1所示，接收系统品质因数的变化对通信系统会有很大影响。通常，将接收天线增益与接收系统总的等效噪声温度之比G/T的分贝值，定义为接收系统的品质因数。这是卫星通信系统的一个重要参数，也是IntelSat组织对地球站进行分类的主要依据之一。

表1　地球站射频性能指标

1　品质因数（G/T）的测量

式中，G表示折算到低噪放入口的天线增益，T表示参考点处的系统等效噪声温度。Tα,Tr则分别表示将低噪放前端的天线、馈线的噪声温度和低噪放后各设备的噪声温度都折算到参考点后的值。TLNA是低噪放的噪声温度。三者之和即为接收系统的等效噪声温度。

本文主要采用直接法来测量地球站的品质因数G/T。下面将直接法测量品质因数作简要介绍。

1.1品质因数

地球站品质因数G/T值[2]是天线系统的增益与接收系统噪声温度之比，用dB表示为天线系统的增益与接收系统的系统噪声温度之差。它是卫星地球站重要的技术指标之一，也是衡量地球站灵敏度的质量指标和地球站分类标准的依据，同时也是卫星地球站入网的强制性指标。卫星通信地球站G/T值是衡量地球站接收系统性能的重要指标，是卫星通信线路设计的重要依据之一，也是地球站系统进入Intelsat网的强制性测试项目之一。在国际卫星通信系统中，为保证一定的通信质量并能有效利用卫星功率，对标准地球站的性能有明确规定。对于卫星地面接收系统而言，唯一决定载噪比大小的就是G/T值。G/T值越大，载噪比越高，表明地球站接收来自卫星信号的能力越强。

G/T值的测量一般有直接法和间接法。直接法是利用射电天文法[3]直接测得G/T值，间接法[2]为分别测得地球站接收系统的增益值G和噪声温度T，再由二者得到G/T值。本文将采用直接法测量。

随着卫星通信技术的发展，影响卫星通信的各种误差因子均可精确计算，那么就可以利用载噪比法直接测量G/T值[4]。在计算G/T值时，通常将低噪声放大器的入口作为参考点：

1.2测试原理

该方法是远场法的一种，需要满足远场测试条件[5]。众所周知，远场法中收发天线之间的距离R≥2D2/λ。其次，要求测试地点空旷，无障碍物遮挡，以提高信号的接受质量。最后，还要求收发天线要架设得高，以减少地面反射和周围环境对测量的影响。

测量时不仅简单、方便，而且具有如下特点：

（1）利用卫星源法直接测量地球站G/T值，满足远场测试条件；

（2）测量是在地球站天线工作条件下进行的，因此测量的G/T值为地球站系统的工作G/T值；

（3）使地面建筑物、环境等引起的多重反射对测试结果的影响最小化；

（4）可进行重复测量。

图1为直接法测试品质因数的简易框图。

图1　直接法测试品质因数

测试步骤如下：

（1）按图连接设备，使系统设备工作正常；

（2）依据给定的测试频率、极化及EIRP，由辅助站发射一个未调制的单载波（若利用卫星信标，无需辅助站发射单载波），使待测站天线对准卫星；

（3）调整待测天线极化，使之与卫星极化相匹配。此时，频谱仪接收的卫星信号为最大。根据功率传输方程，可得频谱仪测量的载波加噪声的功率C+N可表示为：

式中，EIRP为卫星的等效各向同性辐射功率；G为地球站天线的接收增益；Lp为自由空间传播损耗，Lp=(4πd/λ)2；d为地球站到卫星的距离，φ为地球站的纬度；Δλ为卫星经度与地球站经度的差；λ为工作波长；H为星下点至卫星的距离（35 860 km）；R为地球的半径（6 373 km）。

（4）让待测天线偏离5°以上，使频谱仪接收不到卫星信号，从而保证卫星噪声的测量。此时，频谱仪接收的总噪声功率N可表示为：

由此可以得出：

于是，可得地球站的G/T值：

用分贝表示：

式中，k为波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；T为接收系统的噪声温度；B为频谱仪的噪声带宽，为B=1.2a*(Rb/FEC)。

根据所得数据，可计算得出G/T值。其中，EIRP为等效全向辐射功率[5]，表示一个定向天线在其最大辐射方向上辐射的功率，定义为高功放馈送给天线的功率PT与GT定向天线增益的乘积，即EIRP=PTGT。在实际的地球站发射系统中，高功放与天线之间有一段馈线。设该馈线损耗为LT，则EIRP=P*GT/LT。式中，P为高功放输出功率。

一般情况下，利用场地法进行地球站系统EIRP的测量。本文对EIRP的测量不做赘述，具体测量方法可参考文献[5]。

论文利用本单位现有的简单装备（卫星便携站）对天线的品质因数进行测量。测得测试点经纬度为（λ114°14’21”E，ρ30°35’11”N），便携站所对卫星信标频率为960 MHz。

测量时可根据测试点的经纬度，由式（6）计算得出对准卫星所需的方位角和俯仰角。按照使用手册将便携站安装完毕，在全部安装完成后，全面检查确认所有安装与连接，保证准确无误。

1.3测试步骤

（1）安装完成后，开启电源，并将信道设备设置到对星状态所需的方位角和俯仰角。

①利用磁罗盘，根据提供的卫星方位角，轻轻移动天线基座，使天线基座轴线方向与卫星方位角方向重合（误差不大于±5°）。

②调整天线基座两个辅助支撑脚，使其与天线基座三者之间大约构成120°的夹角。调节辅助支撑脚调平装置，将天线基座支撑平稳。

③将磁罗盘仰角指针调整到卫星的仰角度数上，并置于天线波束指向基准处，通过调整天线仰角调节杆，校准天线仰角（水泡移至中央位置），然后锁定。

④松开馈源极化固定螺丝，调整天线馈源的极化偏角。

⑤松开方位锁定旋钮，将天线指向在基座轴线方向大约10°左右范围内来回搜索，同时观察液晶显示屏上显示“Eb/N0=**dB”值的变化。

⑥若液晶屏上显示Eb/N0=00 dB，则微调天线仰角调节杆5圈（仰角变化约1°），重复步骤⑤；若没有，则朝另一个方向旋转天线仰角调节杆10圈，再重复步骤⑤，直到有信号为止。

⑦Eb/N0显示值出现变化后，慢慢调节方位，信号最大时锁定方位；微调仰角，信号最大后锁定仰角，再微调方位。如此反复，直到信号最大为止。

⑧锁定好天线的方位和仰角后，再微调天线的极化偏角，使接收信号最大。至此，天线对星完毕。

⑨将信道设备恢复到通信状态。

（2）连接射频电缆

将标注为“接收射频入”电缆的一头接到便携站前面板上标明“射频入”的接口上，另一头连接到LNB口；将标注为“发送射频出”的电缆的一头接到便携站前面板上标明“射频出”的接口上，另一头连接到HNB口。

如果用Ku波段卫星通信便携站对星较为困难，也可连接好频谱仪，通过频谱仪显示信号强度，对天线的俯仰角和方位角进行微调。当信号强度达到最大时，固定好天线，此时对星完毕。

（3）连接频谱仪

将频谱仪电源线接上，将馈源输出端口与频谱仪相连。当天线正对卫星时，得到最大信号频率，此时输入信标频率，通过微调，找到信标，红点处即是信标。通过将天线左右摆动，频率强度会产生变化，每转1°记录一次强度，左右各摆动5°，通过所记录数据可画出天线方向图。

（4）测量天线载波噪声频谱图

将频谱仪调到载波频谱，调整出适当的频宽。

2　测试结果

当对准卫星后，可在频谱分析仪上读出收到信号的强度为-58.96 dBm，信标频率为960 MHz。

调整天线方位角，可测得天线偏离卫星的角度及频谱分析仪上的信号强度，如表2所示。

在进行实验时，当天线左右偏离卫星5°以上时，频谱仪接收到的信号强度变得很小，故基本可以认为此时天线已经偏离卫星。

表2　天线偏离方位角及幅度

（以对准卫星为0°，向北偏离为正，向南偏离为负）

以A为基准线（由于最终处理数据时会以dB形式显示，故而A会被消去，所以A可为任意值），对天线载波频谱图中载波段进行积分，可得到：

通过对频谱图噪声段进行积分，可得出：

通过载噪比直接法[7]相关公式，可知：

经查，卫星的等效各向同性辐射功率EIRP= 39.5 dBW，波尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K，代入可得出地球站G/T值：

换算成dB形式：

故所测得G/T值为27.39 dB/K，基本与实际相符。

3　测量精度研究

为了精确测量天线的品质因数，必须把各种误差因子考虑在内，应考虑各种误差修正对测量结果的影响。这些误差因素主要有大气吸收衰减La、极化衰减Lm、地貌修正因子As、指向误差引起的损失Lpo。考虑到误差因素在内，则品质因数G/T值测量的精确计算公式[7]为：

3.1大气吸收衰减

工程上为了计算简便，我们依据SSOG210给出的大气吸收衰减曲线进行数据分析，得出卫星通信C波段和Ku波段大气吸收衰减的近似公式：

式中EL为天线的仰角。

3.2极化衰减

在测量过程中，首先是天线对准卫星，在对星准确的基础上再仔细调整天线极化与卫星极化匹配，以此接收到最大信号强度。因此，接收天线极化与卫星极化倾角之差可调整在1°范围内，由此引起的误差为-0.001 3 dB，于是由极化引起的衰减Lm通常可以忽略不计。

3.3地貌修正因子

在实际G/T的测量中，要求天气晴天、微风，因此不考虑降雨的影响。于是，下行地貌修正因子为：

式中，ΔEIRP为卫星等效各向同性辐射功率的差值；ΔLp为下行自由空间传播损耗的差值；ΔLa为大气吸收衰减的差值；ΔLm为极化损失的差值；ΔTo为下行噪声的差值。

测量地貌修正因子比较复杂，一般在测量时，卫星的EIRP、下行自由空间损耗Lp和地貌修正因子As由辅助站提供。

3.4指向误差

由于天线指向误差Δθ产生增益误差损失，从而引起测量误差。天线指向误差Lpo：

式中，θ0是天线的半功率波束宽度，且：

将式（17）代入式（16），可得：

本次测量卫星经度为东经125°，本地经度为东经114°14’21”，北纬30°35’11”，计算可得对准卫星所需的方位角为南偏东20.48°，俯仰角为52.46°。代入式（14），可得：

将式（19）、式（20）、式（21）和式（22）代入式（13），可以得到：

4　结 语

本文基于卫星便携站和频谱仪搭建典型系统，运用载噪比直接法测量天线品质因数G/T，实现了G/T的测量，验证了天线G/T值标定方法的可行性，并对影响品质因数的各种误差因素进行了分析。考虑到各种误差因素在内，误差为1 dB/K左右，在允许范围之内。可见，此方法简易可行，具有很强的实用性。

[1] 甘仲民.卫星通信地球站收发射频设备技术性能指标浅释(一)——卫星通信地球站及射频总体性能指标浅释[J].数字通信世界,2014(11):01-04. GAN Zhong-min.Introduction of Technical Performance Specification for Receving-Transmitting RF Equipment of a Satellite Communications Earth Station(Part 1)--Introduction of Satellite Communications Earth Station and System Performance Specification[J].Digital Communication World,2014(11):01-04.

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[3] 潘捷.卫星通信天线G/T值测量技术[J].邮电设计技术, 1993(03):50-54. PAN Jie.Satellite Communication Antenna G/T Calculation Technology[J].Designing Techniques of Posts and Telecom munications,1993(03):50-54.

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[5] 王小强,秦顺友,王俊义.地球站最大EIRP的测量及误差分析[J].无线电工程,2008,38(09):47-48. WANG Xiao-qiang,Qin Shun-you,Wang Jun-yi. Measurement and Error Analysis for Earth Station Maximum EIRP[J].Radio Engineering,2008, 38(09):47-48.

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[7] 秦顺友.载噪比直接法测量地球站G/T值的精度研究[J].通信学报,2000,21(03):25-31. QIN Shun-you.Accuracy Considerations in the G/T Value Measurement of the Earth Station Using Carrier to Noise Ratio Direct Method[J].Journal of China Institute of Communications,2000,21(03):25-31.

秦焕丁（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为卫星通信；

娄景艺（1979—），女，博士，副教授，主要研究方向为卫星通信、数字信号处理；

屈晓旭（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向为数字通信、无线通信。

G/T Value Measurement of Satellite Communication Earth Station

QIN Huan-ding, LOU Jing-yi, QU Xiao-xu
(College of Electric Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei 430033,China)

The G/T value of earth station is a very important index in satellite communication system , and the antenna parameters would decline while the devices become ageing.Therefore,it is necessary to design a simple and easy method to measure G/T value of the earth station,and the user could thus know well the device condition.With G/T value measurement as an example,the calibration method of RF performance for satellite communication earth station rf performance is explored, and based on the typical system built up with satellite portable equipment and spectrometer, the antenna G/T value is measured with direct method. Experiment verifies that the error of G/T is about 1dB/K in consideration of various error factors.The result indicates that this method is simple and easy for measurement of antenna G/T value.

satellite communication;earth station;RF indicator;G/T

V556

A

1002-0802(2016)-08-01078-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.08.023

2016-04-21;

2016-07-22

date:2016-04-21;Revised date:2016-07-22