天线馈源网络系统插入损耗测量方法

秦顺友，刘小勇

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.火箭军装备部驻廊坊地区军事代表室，河北 廊坊 065000)

0 引言

天线馈源网络系统由微波网络和馈源喇叭组成，它是反射面天线的心脏，其性能好坏直接影响反射面天线的性能。如插入损耗直接影响反射面天线的增益或效率，也会增加天线系统的噪声温度，从而降低系统灵敏度[1]。在卫星通信测控站系统中，常用波束宽度法[2]或方向图积分法[3]确定天线增益，需要精确确定馈源网络的插入损耗；在射电望远镜和深空探测等低噪声应用系统中，精确确定馈源网络损耗噪声对系统噪声温度的贡献也是非常重要的[4]。射电星通量密度校准、大气衰减测量和微波宇宙背景噪声测量中都需要精确校准天线馈源网络的损耗[5]。

天线馈源网络系统的插入损耗通常很小，测量比较困难，文献[6]介绍了衰减测量的常用方法有：功率比法、替代法和功率反射法等；另外有很多文献介绍了馈源网络插入损耗测量方法，如双定向耦合器法[7]、可变短路法[8]、标准衰减器法[9]和噪声温度法等[10]。这些测量方法均去掉了馈源喇叭，测量了馈源网络的损耗，其结果忽略了喇叭损耗，是不准确的。关于天线馈源网络系统损耗测量方面，文献[5]介绍了辐射计法测量天线馈源部件损耗，喇叭损耗由理论计算获得，这样计算和测量结合可确定天线馈源网络系统损耗；文献[11]介绍了短路法测量圆极化馈源网络系统损耗的方法；文献[12]介绍了贴片阵列天线插入损耗的测量方法。由此可见，精确测量天线馈源网络系统插入损耗是很重要的，研究天线馈源网络系统插入损耗的测量方法不仅具有重要的学术价值，而且有重要的工程应用价值。本文对馈源网络系统插入损耗测量方法进行了系统总结，在现有测量方法的基础上，对天线馈源网络系统插入损耗测量方法进行了进一步的研究，提出了Y因子法和比较Y因子法。实践证明，这些方法是切实可行的。

1 短路法

1.1 测量原理方法

短路法测量天线馈源网络系统插入损耗的基本原理是：当馈源网络系统的喇叭口短路时，通过测量系统的反射损耗来计算馈源网络系统的插入损耗。测量方法和程序同短路法测量网络损耗类似[13]。

短路法测量线极化馈源网络系统插入损耗的原理框图如图1所示。

图1 短路法测量线极化馈源网络系统插入损耗原理Fig.1 Principle block diagram of measuring insertion loss of linearly-polarized feed network system by short-circuit method

图1中,隔离器是为了抑制源反射的影响，对于多端口馈源网络系统，其他端口接匹配负载。

短路法测量线极化馈源网络系统插入损耗的方法是：按照图1建立测试系统，首先在定向耦合器输出端口接短路器，对系统进行定标测量；然后，去掉定向耦合器输出端口的短路器，将其与待测馈源网络端口连接，且馈源网络的喇叭口接短路器，用矢量网络分析仪测量反射损耗的大小，其结果除2可得馈源网络系统的插入损耗。

对于圆极化馈源网络，因喇叭口短路会改变入射电磁波的极化旋向，其测量原理框图与线极化馈源网络测量框图是不同的。短路法测量圆极化馈源网络系统插入损耗的原理框图如图2所示。

图2 短路法测量圆极化馈源网络系统插入损耗原理Fig.2 Principle block diagram of measuring insertion loss of circularly polarized feed network system by short-circuit method

由图2的测试原理框图可知，短路法测量的圆极化馈源网络系统插入损耗要求待测圆极化馈源网络是频谱复用的，即至少有2个正交圆极化接收端口或2个正交的圆极化发射端口。因为从馈源网络的左旋圆极化端口(LHCP)发射信号，喇叭口短路后的反射信号变成右旋圆极化(RHCP)信号，由右旋圆极化端口输出，反之亦然。

按照图2所示原理框图建立测试系统，首先将矢量网络分析仪射频输出端口波导同轴转换与输入端口波导同轴转换对接，进行系统定标测量；然后将矢量网络分析仪射频输出端口波导同轴转换器接馈源网络的LHCP端口(或RHCP端口)，输入端口波导同轴转换接馈源网络的RHCP端口(或LHCP端口)，喇叭口接短路器，用矢量网络分析仪直接测量系统反射损耗的大小，其结果的一半即得到馈源网络系统的插入损耗。

1.2 测量实例

给出2个工程测量实例，说明短路法测量馈源网络插入损耗的方法。

测量实例1：以标准矩形波导损耗测量为例，当波导传输主模时，其损耗理论上可进行精确计算。2.8 m长BJ-40矩形波导损耗测试结果如图3所示。

图3 BJ-40矩形波导损耗测试结果Fig.3 Test results of BJ-40 rectangular waveguide loss

由图3可以看出，实测波导插入损耗波动较大，主要由于多重反射引起。在误差允许范围内，测量结果和理论计算结果吻合很好。如果对测量曲线极大值包络和极小值包络进行平均，其结果同理论计算结果吻合更好。

测量实例2：以Ka波段圆极化馈源网络系统为例，说明短路法测量圆极化馈源网络系统插入损耗的方法。Ka波段圆极化馈源网络系统如图4所示，接收频段馈源网络系统插入损耗测量结果如图5所示。

图4 Ka波段圆极化馈源网络系统Fig.4 Ka-band circularly polarized feed network system

图5 Ka波段圆极化馈源网络系统插入损耗测量结果Fig.5 Test results of insertion loss for Ka-band circularly polarized feed network system

由图5可以看出，馈源网络插入损耗不仅波动很大，而且出现了奇异点，这些点的数值并不能真正表征馈源网络插入损耗的特性，主要因为宽带馈源网络多模效应引起。另外，多重反射也是引起测量馈源网络损耗波动的原因。

在19.2～21.2 GHz频段内，共有6个奇异点，按照图5中红色虚线位置去除奇异点，然后对测量的驻波形式的曲线采用包络平均的方法，可对馈源网络系统的插入损耗进行评估[14]。

短路法测量馈源网络插入损耗简单、方便，但因宽带馈源网络系统常存在多模传输，且喇叭口短路存在多重反射，测量误差很大，工程中常用该方法对馈源网络系统插入损耗进行评估。

2 增益方向性法

2.1 测量原理方法

增益方向性法测量馈源网络系统插入损耗的基本思想是：通过测量馈源网络系统的功率增益和方向性增益，确定馈源网络系统插入损耗的方法。可表示为[15]：

ILFNS=DFNS-GFNS,

(1)

式中，ILFNS为馈源网络系统的插入损耗，单位dB；GFNS为馈源网络系统的功率增益，单位dBi；DFNS为馈源网络系统的方向性增益，单位dBi。

馈源网络系统增益测量方法很多，如两相同天线法、比较法、紧缩场法和近场法等[16]。下面介绍经典比较法。比较法测量馈源网络增益的原理框图如图6所示。

图6 比较法测量馈源网络增益的原理框图Fig.6 Principle block diagram of feed network gain measurement by comparative method

图6中，R为发射喇叭与待测馈源喇叭之间的距离，应满足远场测试距离条件。按照图6建立馈源网络插入损耗测试系统，首先按照经典增益比较法的方法程序，测量馈源网络系统的功率增益为：

GFNS=GSGH+PFNS-PSGH，

(2)

式中，GSGH为标准增益喇叭的增益，单位dBi；PFNS为待测馈源网络与发射喇叭对准时，频谱仪测量的信号功率电平，单位dBm；PSGH为标准增益喇叭与发射喇叭对准时，频谱仪测量的信号功率电平，单位dBm。

然后，由实测馈源网络系统的方向图或理论计算馈源喇叭方向图，利用数值积分方法，计算待测馈源网络系统的方向性增益DFNS[17]。根据测量的馈源网络系统的功率增益和方向性增益，由式(1)计算馈源网络系统的插入损耗。

式(2)为发射喇叭、标准增益喇叭与待测馈源喇叭极化均匹配情况下，比较法测量馈源网络增益的原理公式。在实际工程测量中，发射喇叭和标准喇叭一般为线极化，待测馈源网络系统可工作于线极化或圆极化。当待测馈源网络为圆极化时，应考虑极化失配的影响。假设待测馈源网络系统的轴比为AR(dB)，则比较法测量圆极化馈源网络的增益为[18]：

GFNS=GSGH+PFNS-PSGH+CFCP,

(3)

式中，CFCP为极化损失修正因子，

(4)

式(2)和式(3)均为阻抗匹配情况下，比较法测量增益的原理公式，实际上，完全匹配是不存在的。发射喇叭、待测馈源网络和标准增益喇叭的失配必将引起增益测量误差，从而引起插入损耗测量误差。在实际工程测量中，为了减小阻抗失配误差，常在信号源的输出端和频谱仪的输入端接隔离器，这样可以忽略源失配和接收机失配的影响。失配引起的插入损耗测量误差为[19]：

(5)

式中，VSWRX为待测馈源网络的电压驻波比；VSWRS为标准增益喇叭的电压驻波比。

阻抗失配引起的馈源网络插入损耗测量误差如图7所示。

图7 阻抗失配引起的馈源网络插入损耗测量误差Fig.7 Measurement error of insertion loss in feed network caused by impedance mismatch

由式(1)可知，增益方向性法测量馈源网络系统插入损耗的精确度取决于天线功率增益测量精度和方向性增益测量精度。目前，比较法增益测量扩展不确定为±0.5 dB[20]，改进的比较法其增益测量精度可达±0.25 dB[21]，因此，增益方向性法不适合测量小损耗的馈源网络系统。

2.2 测量实例

以某工程Ka波段馈源网络系统为例，说明增益方向性法测量馈源网络插入损耗的方法。Ka波段馈源网络如图8所示，主要技术特性如下：

图8 Ka波段馈源网络Fig.8 Ka-band feed network

工作频段：发射TX 30.0～31.0 GHz,

接收RX 20.2～21.2 GHz，

极化特性：TX-LHCP RX-RHCP，

馈源网络轴比：≤0.5 dB，

电压驻波比：≤1.25，

插入损耗：≤1 dB。

馈源网络系统插入损耗测试结果如表1所示。由表1可以看出，在测量误差允许的范围内，测量结果满足馈源网络插入损耗的技术要求，验证了该方法的可行性。

表1 Ka波段馈源网络插入损耗测量结果Tab.1 Measurement results of Ka-band feed network insertion loss

3 Y因子法

Y因子法常用于天线噪声温度测量[22]、低噪声放大器噪声系数测量[23]和接收机系统噪声温度测量[24]等。Y因子法测量馈源网络系统插入损耗的基本原理是：通过测量待测馈源网络喇叭口置冷热负载的噪声功率之比的Y因子，由Y因子方程求出待测馈源网络的噪声温度，利用噪声温度与损耗的关系求出馈源网络的插入损耗。Y因子法可细分为冷热负载法和天空背景噪声法。

3.1 冷热负载法

冷热负载法是在待测馈源网络系统的喇叭口分别放置热负载(通常采用常温吸波材料作为热负载，也叫常温负载)和冷负载(用浸泡在液氮中的吸波材料作为冷负载)，测量出系统输出噪声功率之比的Y因子，由此确定馈源网络系统插入损耗的方法[25]。

冷热负载法测量馈源网络插入损耗的原理框图如图9所示。

图9 冷热负载法测量馈源网络插入损耗原理Fig.9 Principle block diagram of feed network insertion loss measurement by hot/cold load method

按照图9建立测试系统，当待测馈源网络喇叭口依次指向热负载和冷负载时，频谱仪测量的输出噪声功率之比的Y因子为[26]：

(6)

式中，T0为常温负载的噪声温度，单位K；TLNA为低噪声放大器噪声温度，单位K；TFNS为馈源网络系统的噪声温度，单位K。

由式(6)可求出馈源网络系统的噪声温度为：

(7)

馈源网络损耗与噪声温度的关系为：

(8)

式中，TCOLD为冷负载的噪声温度。

由式(8)可得馈源网络系统的插入损耗为：

(9)

联立式(7)和式(9)可求出用分贝表示的待测馈源网络的插入损耗为：

(10)

式(10)为冷热负载法测量馈源网络系统插入损耗的原理公式。只要测量出Y因子、环境温度，以及已知冷负载和低噪声放大器噪声温度，即可确定馈源网络的插入损耗的大小。

3.2 天空背景噪声法

由图9的冷热负载法测量系统可知，馈源网络喇叭口朝下指向冷负载，实现起来比较困难；如果将喇叭口朝上，冷负载直接置于喇叭口上，则存在盛装冷负载容器损耗的问题，影响馈源网络插入损耗测量精度。另外，冷热负载法不适合双反射面天线馈源网络插入损耗的现场测量。

基于上述原因，提出了天空背景噪声法测量双反射面天线馈源网络插入损耗的方法。若在反射面天线安装现场，副反射面和其支撑没有安装之前，利用主反射面作为屏蔽体，馈源喇叭指向天顶方向，以天空背景噪声作为冷噪声源代替冷热负载法中冷负载，实现馈源网络插入损耗测量，原理框图如图10所示。

图10 天空背景噪声法测量馈源网络插入损耗原理Fig.10 Principle block diagram of feed network insertion loss measurement by sky background noise method

用天顶方向的天空噪声温度TSKY代替式(10)中冷负载噪声温度TCOLD，可得天空背景噪声法测量馈源网络插入损耗为：

(11)

图10中，主反射面作为屏蔽体[27](也可用金属反射桶[28])，其作用是屏蔽地面噪声的影响。式(11)中天空噪声温度TSKY是通过计算获得的[29]，它包括宇宙微波背景噪声、银河系噪声和大气衰减噪声[30]。由于该方法受天线现场天气条件的影响，因此测量需要在晴空条件下进行。

Y因子法测量馈源网络系统插入损耗的精度主要由馈源网络系统噪声温度测量精度决定，由常温负载噪声温度测量误差、低噪声放大器噪声温度的不稳定性和冷负载噪声温度的不稳定性决定。假设低噪声放大器的噪声温度不定性为±5 K，常温负载的噪声温度不稳定性为±1 K，利用式(6)和式(7)可分析出Y因子法测量馈源网络系统的噪声温度的不稳定性约为±4 K，该误差相当于损耗为±0.06 dB的噪声贡献。因此，Y因子法可用于小损耗的馈源网络测量。

3.3 工程测量实例

以一个X波段馈源网络(馈源为波纹喇叭，网络是一个简单的方圆过渡)为例，说明冷热负载法测量馈源网络插入损耗的方法。X波段馈源网络插入损耗测量实际配置图如图11所示。

图11 X波段馈源网络插入损耗测量实际配置Fig.11 Practical configuration diagram of X-band feed network insertion loss measurement

图11中，左边为待测馈源网络及微波吸波材料(用作常温负载)，右边为冷负载，用液氮浸泡微波吸波材料制成。X波段馈源网络插入损耗测量结果如图12所示。

图12 X波段馈源网络系统插入损耗测量结果Fig.12 Measurement results of insertion loss for X-band feed network system

4 比较Y因子法

4.1 测量原理方法

上面讨论了Y因子法测量馈源网络系统插入损耗的方法。在此基础上，提出了比较Y因子法。该方法的基本思想是：通过测量待测馈源网络系统接常温负载和指向晴空天顶方向的噪声功率之比的Y因子，以及标准增益喇叭接常温负载和指向晴空天顶方向的噪声功率之比的Y因子，由测量的待测馈源网络系统的Y因子与标准增益喇叭的Y因子进行比较，从而确定待测馈源网络系统的插入损耗。比较Y因子法测量馈源网络插入损耗的原理框图如图13所示。

图13 比较Y因子法测量馈源网络插入损耗原理Fig.13 Principle block diagram of feed network insertion loss measurement by Y-factor comparison method

图13给出了2种常温负载：一种是微波吸波材料用作常温负载，可置于喇叭口对系统进行定标测量，要求微波吸波材料的尺寸应大于喇叭口面；另一种是用波导匹配负载用作常温负载，直接与低噪声放大器连接，对系统进行定标测量。实际工程测量应用中，微波吸波材料用作常温负载和匹配负载用作常温负载，其作用是一致的，二者选一即可。通常对于低频段，馈源喇叭和标准喇叭口径较大，此时可选择常温匹配负载作为校准负载；反之，高频段馈源网络喇叭口径较小，可用微波吸波材料作为常温负载，操作简单方便。

按照图13建立测试系统，首先测量定标Y因子，即低噪声放大器直接与标准喇叭连接，测量标准喇叭口置常温负载和指向晴空天顶方向时系统输出噪声功率之比的Y因子为：

(12)

式中，TSGH为标准喇叭的噪声温度，单位K。

由式(12)可求出标准喇叭的噪声温度为：

(13)

若已知标准喇叭的欧姆损耗ILS，标准喇叭的噪声温度与损耗的关系为[31]：

(14)

式中，Thorn为标准喇叭外部噪声温度，单位K。外部噪声温度由喇叭功率方向图和天空亮温度分布，通过数值积分法进行计算确定[32]。

然后，将低噪声放大器接到待测馈源网络上，同理，测量待测馈源网络喇叭口置常温负载和指向晴空天顶方向时系统输出噪声功率之比的Y因子为：

(15)

式中，TFNS为待测馈源网络的噪声温度，单位K。

由式(15)可求出待测馈源网络的噪声温度为：

(16)

馈源网络插入损耗ILFNS与噪声温度关系为：

(17)

式中，Tfeed为待测馈源网络的外部噪声温度。由馈源网络的功率方向图和天空亮温度分布，通过数值积分法进行计算。

联立式(13)，式(14)，式(16)和式(17)，可导出待测馈源网络的插入损耗为：

(18)

式(18)为比较Y因子法测量馈源网络系统插入损耗的原理公式。式中环境噪声温度T0和低噪放大器噪声温度TLNA已知，标准喇叭损耗、外部噪声温度以及和馈源网络的外部噪声温度均可通过理论计算获得，因此只要测量出待测馈源网络的YX因子和标准增益喇叭的YS因子，即可确定馈源网络插入损耗的大小。

显然，利用该方法测量馈源网络插入损耗是很复杂的。实际上，90°～180°范围内，波纹喇叭和标准增益喇叭方向图远旁瓣电平很低，待测波纹喇叭和标准增益喇叭主波束指向天顶方向，接收天空噪声，地面热辐射噪声贡献很小，工程测量中可忽略不计，则待测馈源网络和标准增益喇叭的外部噪声温度近似等于天空噪声温度[32]，因此可忽略式(18)中第一项对插入损耗测量的影响。另外，标准喇叭的欧姆损耗很小[33]，工程测量中可忽略不计。则式(18)可近似简化为：

(19)

由式(19)可知，只要测量标准喇叭和待测馈源网络的Y因子，不需要知道天空噪声温度、常温负载噪声和低噪声放大器噪声温度，就可以确定馈源网络的插入损耗。因此，该方法简单方便，非常适合工程测量应用。如果采用3.2节方案，用天线主反射面作为屏蔽体或者利用金属屏蔽盒，有效抑制地面辐射噪声的影响，可改善其测量精度。

待测馈源网络系统的插入损耗虽然与噪声温度的大小无关，但天空噪声温度、常温负载噪声温度和低噪声放大器噪声温度稳定或变化，均会引起Y因子测量误差，从而引起馈源网络系统插入损耗测量误差。假设YX≥3 dB，YS≥3.5 dB，Y因子测量误差为±0.1 dB，则式(19)可推导出测量误差方程，计算出馈源插入损耗测量误差为±0.02 dB。因此，比较Y因子法可精确测量馈源网络的小损耗。

4.2 工程测量实例

以65 m射电望远镜Ku波段馈源网络插入损耗测量为例，说明比较Y因子法测量馈源网络插入损耗的方法。Ku波段馈源网络插入损耗测试装置如图14所示，馈源喇叭为波纹喇叭，网络为简单双工器。

图14 Ku波段馈源网络插入损耗测试装置Fig.14 Practical configuration diagram of Ku-band feed network insertion loss measurement

标准增益喇叭校准测试装置如图15所示，图中标准喇叭口的微波吸波材料用作常温定标负载，对测试系统进行校准测试。65 m射电望远镜Ku波段馈源网络插入损耗测量结果如图16所示。测量结果表明，在测试频段12.0～15.5 GHz内，馈源网络插入损耗满足工程小于或等于0.25 dB的设计要求。在测量频段内，馈源网络插入损耗随频率波动很大，主要是由于待测馈源网络和标准喇叭失配引起的多重反射误差。

图15 标准增益喇叭校准测量装置Fig.15 Configuration diagram of standard gain horn calibration measurement

图16 Ku波段馈源网络系统插入损耗测量结果Fig.16 Measurement results of insertion loss for Ku-band feed network system

5 结束语

馈源网络系统插入损耗是天线的重要性能指标之一，通常很小，精确测量是非常困难的。目前传统的馈源网络插入损耗测量方法均是去掉了馈源网络的喇叭头，只测量网络的损耗，因此结果不能表征整个馈源网络的损耗特性。为了精确测量馈源网络的插入损耗，本文对馈源网络系统插入损耗测量方法进行了总结，并在现有测量方法的基础上，对天线馈源网络系统插入损耗测量方法进行了进一步的研究，提出了Y因子法和比较Y因子法测量馈源网络插入损耗的新方法。

短路法是馈源网络插入损耗测量的传统方法，同短路法测量网络损耗的原理相同，该方法简单方便，但由于馈源喇叭口短路，驻波效应和多重反射对测量结果影响很大，特别是多模馈源网络系统。因此短路法测量馈源网络插入损耗，测量误差很大，甚至出现奇异点。因此，短路法很难精确测量馈源网络的插入损耗，但该方法可对馈源网络的插入损耗进行评估。

增益方向性法是天线馈源网络系统插入损耗测量的经典方法，基本思想是通过测量天线功率增益和方向性增益，从而确定馈源网络插入损耗的方法，其测量精度取决于增益和方向性测量精度。目前，±0.25 dB增益测量精度是很高的。因此，该方法不适合馈源网络的小损耗测量。另外，测量馈源网络的空间方向图确定方向性增益也是很复杂的。

Y因子法可精确测量馈源网络的小损耗，测试需要精确标定低噪声放大器噪声温度、冷负载或天空噪声温度，以及常温负载噪声温度，否则影响馈源网络损耗的测量精度。

比较Y因子法是馈源网络插入损耗测量的一种简单精确的新方法，该方法只需测量2个Y因子，不需要知道天空噪声温度、低噪声放大器噪声温度和常温负载噪声温度，就可确定馈源网络的插入损耗。在馈源网络插入损耗测量中具有广阔的应用前景，值得应用推广。