利用天线方向图测量实现精准对星的方法研究

王晓羽 张振权 侯继栋

摘要：在卫星通信中，传统的对星方法是通过识别接收通信卫星发射的高稳定单载波信标频率幅度来控制地面天线转动，但对于尺寸较大的天线，其旁瓣幅度较大，使得通过单载波信标频率幅度识别方法难以达到精准对星的要求。因此，为解决大尺寸天线不能精准对星而影响通信质量和效果的实际问题，本文通过调整卫星天线方向图参数、利用现有频谱仪测量绘制方向图等方法来实现精准对星，以期在大尺寸天线对星过程中为相关工程技术人员提供参考。

关键词：方向图；精准；对星；研究

卫星对星是指通过识别卫星发送的信标频率来调整卫星天线的方位角、俯仰角和极化角，使得天线与卫星的指向逐步重合。这是地球站通信的前提和基础[1]。根据天线的不同功能，天线对星的方式也不同。有只具有接收功能的卫星天线对星，也有具有收发能力的天线自行对星，还有在卫星公司地面业务运行中心的指导下进行对星。对于精准对星，无论是通过接收通信卫星的信标还是发射单载波进行对星，都需要根据卫星的经度和地面卫星天线的经纬度使用严格的公式进行计算，得出卫星天线的方位角和俯仰角。然后利用这两个值来驱动天线电机的转动，从而实现对星。对于尺寸较大的天线来说，由于天线的波瓣宽度较小，精准对星更加困难。尤其是对于卫星定向天线，方向图和旁瓣等因素会严重影响卫星通信的质量。因此，通过测量天线方向图来实现精准对星成为卫星通信中的重要工作。这种方法可以克服天线波瓣宽度较小带来的难题，提高对星的准确性和通信质量。

一、卫星天线增益和方向图的概念

卫星通信中，天线增益是衡量卫星天线收发信号能力的重要指标之一。天线增益可以通过测试天线的方向图来确定，其计算公式为：天线增益=方向系数*天线效率。而方向图则是指在给定距离上，天线场强的相对变化的几何图形。通常使用垂直方向图和水平方向图来表示。天线方向图不仅能够得出天线的性能参数，如方向系数和天线效率，还可以通过方向图得出天线的辐射强度和波束宽度等其他参数。卫星天线具有严格的方向性要求，即主瓣在精准对星的同时，旁瓣的辐射不能影响到附近卫星（见图1）。天线的方向性表征了天线辐射强度与空间方向的相对关系，并与天线增益密切相关。通过对天线方向图的测试和分析，评估卫星天线的性能，并优化天线设计以提高通信质量。

（一）天线增益的概念

天线增益是指在相同输入功率下，被测天线与无方向性天线在相同辐射强度值下所产生的功率密度之间的比值。天线增益可以分为发射增益和接收增益，它们表示了天线的辐射和接收能力。除了辐射功率，天线的尺寸和所使用的波长也是选择卫星天线时的重要考虑因素。一般来说，提高天线增益的方法有两种。第一种是减小垂直方向上的辐射波束，第二种是增大水平方向上的波束宽度和辐射性能。通过这些方式，可以进一步提高天线的增益[2]。因此，天线的增益与天线的方向图密切相关。从方向图中，可以直观地看到主瓣的窄度与天线的方向性强度相关。主瓣越窄，方向性越强，能量越集中，因此增益相对较高。通常，以具有相同输入功率的全向天线或半波对称振子天线在特定方向的辐射强度作为参考值来衡量天线增益，以全向天线为参考记作dBi，以半波对称振子天线为参考记作dBd[3]。

（二）天线方向图的参数

天线方向图的参数一般包括主瓣、旁瓣电平、方向系数、3dB波瓣电平等。根据方向图所显示的花瓣状图案，也可以称之为波瓣图。主瓣是指在左右两侧零辐射方向内的波束形成的几何图形，与主瓣相反的波束叫做背瓣或者反瓣，除主瓣和背瓣以外的波束称为旁瓣。（见图2）。

瓣宽度和旁瓣电平的相对比值是衡量天线性能的关键指标，特别是与主瓣距离最近且低于主瓣功率的一半电平之间的比值，是评估天线合格性的关键因素。常见情况是，卫星通信天线的第一个旁瓣电平可能会被错误地认为是主瓣，而第二个和第三个旁瓣的电平值要低得多。卫星天线方向图的测量主要考虑3dB波瓣宽度图案，通过计算测量天线最大辐射功率流密度与理想天线在相同距离处的辐射流密度的比值，可以计算出天线的方向系数。天线的前后比是指最大辐射方向的正向电平与其相反方向电平之间的比值[4]。所有这些方向图参数都会对卫星通信天线的对星过程产生影响。

（三）天线方向图的测量绘制

一个完整的天线方向图应该是一个与场强振幅、相位和极化有关的三维空间图。为了绘制这样的三维空间图，理论上需要在大范围的地球球面上测量辐射强度的大小，并以天线相位为中心不断进行测量。然而，在实际工作中，特别是用于精确对星时，通常只考虑场强振幅方向图即可。通常有两种方法。一种是极坐标方法，另一种是直角坐标方法。极坐标方向图具有直观、简单等特点，整个平面对应360度，这样可以清楚地展示天线辐射场强的空间分布特性，如图2所示。天线方向图的测量绘制图形一定会反映出卫星信号的指向，并为对星提供新的方法和方式。极坐标方向图的绘制可以帮助我们理解天线的辐射特性和性能。通过分析和解读方向图，可以选择合适的天线对星方法，优化天线设计，并确保卫星信号传输的可靠性和稳定性。

二、利用方向图测量对星的基本步骤和方法

天线方向图的测量是卫星通信天线性能评估的重要内容，它能够反映天线的性能优劣。卫星天线的方向图通常包括接收方位方向图、接收俯仰方向图、发射方位方向图和发射俯仰方向图这四个图形。方向图一般由一个主瓣和左右对称的旁瓣组成，形成一个规则的图案。如果天线的方向图不规则或主瓣與第一旁瓣的差值小于14dB，则表示天线不合格[5]。

对于接收方向图的测量，通常利用卫星信标的接收频率作为频谱仪的中心频率。只需通过转动天线的方位或俯仰，就可以测量出天线的接收方向图。这种方法可以帮助我们了解天线在不同方向上的接收性能，并评估天线的指向性。

（一）天线接收方向图的测量

为了能测量一个在频谱仪上居中的方向图，一般需要将频谱仪的扫描时间设置为和天线转动时间相一致。

①根据需要对星的信标频率，将天线对准直到接收到信标频率最大，记录此时的方位值M，然后在此方位值的基础上转动天线增加2度，即M+2度天线停止转动。

②从当前M+2度基础上向相反方向转动天线，同时利用秒表计时开始，当天线转动到M-2度后停止，同时停止计时，记录此时天线转动所用的时间t秒。

③从天线低噪声放大器输出端连接Ku频段的频谱仪，设置中心频率为卫星信标频率（如12251MHz），带宽设置为0Hz、VBW设置为10Hz、RBW设置为30KHz、扫描时间设置为上面的天线转动时间t秒。

④从当前天线位置M-2开始，反方向转动天线的同时按下频谱仪的扫描开始，（BLANLK）观察频谱仪上的图形，就可以看出完整的天线方位方向图的扫描图，直到天线转动到M+2的位置，停止天线转动。

⑤保存频谱仪上的方向图，利用频谱仪上的MKR、TRACE键，可以测量出主瓣和旁瓣的差值是否符合指标要求。测量完毕后将天线转动到M角度即可。

（二）天线发射方向图的测量

对于天线的发送方向图的测量，通常需要借助另一个陪测站来进行。从待测站发送单载波信号，到陪测站接收到该单载波信号，再到调整天线到接收该单载波最大值，剩余步骤则和接收天线方向图测量一致。需要注意的是，在整个测量过程中，待测站和测向站之间的通信稳定和同步是非常重要的，如此才能确保测量的准确性和可靠性。

三、利用方向图测量进行精准对星

对于固定站大尺寸天线，由于其波瓣宽度较小，第一旁瓣较高。将天线对准第一旁瓣时，很容易通过提高功率放大器的方式来实现通信，但这可能会导致功率放大器过载，对方无法接收到信号等问题。因此，需要通过天线方向图实现精准对星。通常情况下，如果天线精准对星，通过转动天线测量得到的方向图将是一个符合指标的标准方向图。然而，如果卫星没有精准对星，或者将天线对准卫星的旁瓣，那么测量得到的天线方向图将不符合指标（见图4）。因此，可以根据测量得到的方向图准确了解方位或俯仰存在偏移的位置。从图4可以看出，在中间位置应该是方向图的最大值，而此时卫星天线却对准了旁瓣。通过记录方向图中间位置的方位值，可以及时进行调整。通常经过2到3次调整，就可以实现方位或俯仰的精准对星。如果调整某一个方向的参数，但测量得到的信号值仍然较小，那么天线一定没有精准对星。在这种情况下，天线的方位和俯仰都没有对准。在两个方向都没有对准的情况下，显然是无法实现精准对星的。因此，通过测量方向图来确定哪个方向没有对准卫星是很重要的。通过扫描和测量方向图，可以记住主瓣经过的位置，从而首先确定一个参数的最佳位置，然后再调整另一个参数的位置，以实现精准对星（见图5）。

图4中，在进行一圈的天线转动后，发现位于方位值160.24时的信号强度最大。因此，将天线转回到这个最大值的位置。然后在这个最大值的位置基础上进行方位的微调，发现信号强度提高了近10 dB，而信标值变为-51，此时记下俯仰的值。然后再做一次方位的方向图，结果显示方位方向图符合预期。由此说明天线已经精准对星。

四、结束语

为了解决固定站大尺寸天线对准旁瓣而影响设备性能的问题，可以采用人工或电动方式迅速完成对星操作。然而，由于尺寸较大的固定站天线的半功率宽度较小（仅有1～2度），且第一旁瓣的幅度较高，同时受到方位和俯仰两个参数的影响，天线很容易对准在旁瓣上，从而影响设备的开通效能。尤其是当天线对准第一旁瓣时，可能导致设备之间的通信质量变差。为了弥补这个问题，往往需要不断提高双方的功率值，这可能导致过饱和等问题的出现。为了有效避免类似问题，并实现大尺寸天线的精准对星，本文通过研究和分析卫星通信天线的方向图参数、测量和绘制等情况，结合实际工作中的实践经验，详细介绍了卫星天线方向图测量的步骤和方法。同时，还提供了一种通过天线方向图测量实现精准对星的方法。这些方法在实际工作中具有很强的指导意义。

作者单位：王晓羽 张振权 侯继栋 69036部队

参  考  文  献

[1]赵志勇，毛忠阳，刘锡国，等.军事卫星通信与侦察[M].北京：电子工业出版社，2013：13-16

[2]李晖，王萍，陈敏，等.卫星通信与卫星网络[M].西安：西安电子科技大学出版社，2018：45-56

[3]周林，李真，陈英梅，等.卫星通信便携站天线对星的方法策略[J].无线电通信技术2016（03）：20-27

[4]吕海寰，蔡剑铭，甘仲民，等.卫星通信系统[M].北京：人民邮电出版社，2003：65

[5]王丽娜，王兵.衛星通信系统[M].北京：国防工业出版社，2015：35

王晓羽（1991.08-），女，汉族，河南永城，本科，助理工程师，研究方向：卫星通信；

张振权（1976.12-），男，汉族，陕西西安，硕士研究生，高级工程师，研究方向：卫星通信；

侯继栋（1986.10-），男，汉族，甘肃平凉，大专，技术员，研究方向：无线通信。