11.1.2　天线增益测量

天线增益的测量方法有很多，可分为绝对增益测量和相对增益测量两大类，具体有比较法、两相同天线法、三天线法、镜像法等，但是其中的很多方法无法在卫星地面站中应用。因此针对卫星地面站天线增益测量的特点，国际卫星通信组织给出了几种适用于卫星地面站工程现场的测量方法。

1)波束宽度法

经过大量的理论分析和实验统计，得出了天线增益与波束宽度的经验公式

式中　［G］为被测天线增益，单位为dB；θ3dB为俯仰3 dB波束宽度，单位为deg；φ3dB为方位3 dB波束宽度，单位为deg；θ10dB为俯仰10 dB波束宽度，单位为deg；φ10dB为方位10 dB波束宽度，单位为deg；ησ为天线面精度损耗，单位为dB；ηf为馈源损耗，单位为dB。

测量的具体步骤如下：

(1)测量出被测天线的方位方向图和俯仰方向图；

(2)根据测得的方向图，计算出θ3dB、φ3dB、θ10dB、φ10dB；

(3)根据计算得到的波束宽度，计算出G3、G10；

(4)给出ησ和ηf；

(5)计算天线增益［G］。

该方法适用于接收和发射天线。

2)射电星法

使用该方法测量天线增益的的思路如下：

(1)利用射电星测量出被测天线的品质因数(G/T)；

(2)测量出被测天线的系统等效噪声温度T；

(3)根据如下公式计算出被测天线增益：

射电星方法主要用于接收天线。

3)卫星链路计算法-接收天线

使用该方法的前提条件是事先知道卫星的EIRP和星地距离r。测量原理框图见图11-4。

图11-4卫星链路计算法测量接收天线增益原理框图

根据式(8-39)，有

式中　［PRA］为接收天线馈源口出的接收功率，单位为dBW；［EIRPs］为卫星的等效全向辐射功率，单位为dBW；［LfD］为自由空间损耗；［GR］为接收天线增益。

如果考虑馈源口至低噪声放大器的馈线损耗以及地理增益，则有

式中　［PLNA-in］为低噪声放大器的接收功率(dBW)；［LRF］为馈线损耗；［As］为地理增益修正因子。

地理增益是指地面站接收卫星的下行信号时，因地理位置不同而获得的增益。卫星的下行信号功率在地球表面的辐射分布是不一致的，在边缘最小，在中心区域最强。

测量的具体步骤如下：

(1)按照图11-4连接仪表；

(2)信号源射频禁止，天线对准卫星；

(3)设置频谱仪的频率、参考电平，使接收信号显示在频谱仪的屏幕上；

(4)记录测量得到的电平值；

(5)天线偏离卫星，设置信号源的频率，并且令信号源射频打开；

(6)调整信号源输出电平，使频谱仪上的显示的电平等于天线对准卫星时的电平值；

(7)将信号源直接接到频谱仪上测量信号源输出电平；

(8)计算低噪声放大器输入口的电平为

式中　［PSG］为测量的信号源输出电平，单位dBW；［LRF］为信号源注入电缆损耗，已知值；［C］为耦合度，已知值。

(9)根据工作频率和星地距离，计算自由空间损耗

(10)计算地理增益修正因子As；

(11)最后计算出天线增益

4)卫星链路计算法-发射天线

使用该方法需要一个辅助站，并且事先知道卫星的EIRP和星地距离r。原理图见图11-5。

图11-5　卫星链路计算法测量发射天线增益原理框图

测量的具体步骤如下：

(1)按照图11-5连接仪表；

(2)信号源1和信号源2设置在同一频率，均射频禁止；

(3)被测天线和辅助站均对准卫星；

(4)设置信号源1的电平，令射频打开；

(5)用功率计1测量被测天线发射馈源口的功率，记为PT1；

(6)设置频谱仪2的频率和参考电平，显示接收到的信号，并记下信号电平，记为PR；

(7)关掉信号源1，同时设置信号源2的电平，令射频打开；

(8)调整信号源2的电平，使频谱仪2上显示的电平等于PR；

(9)用功率计2测量辅助站发射馈源口的功率，记为PT2；

(10)计算自由空间损耗

式中r1为卫星到被测天线的距离；r2为卫星到辅助站的距离，单位为km；fu为上行频率，单位为GHz；

(11)计算地理增益修正因子As1和As2；

(12)根据式(8-44)有

式中GTA1为被测天线发射天线增益，待求参数；GTA2为辅助站发射天线增益，已知值；PR为频谱仪2的测量值，已知值；PT1为被测天线发射馈源口的功率值，已知值；PT2为辅助站发射馈源口的功率值，已知值；LfU1为被测天线上行自由空间损耗，计算值；LfU2为辅助站上行自由空间损耗，计算值；As1为被测天线地理增益修正因子，计算值；As2为被测天线地理增益修正因子，计算值；LfD2为辅助站下行自由空间损耗；Gsat为卫星增益；GRA2为辅助站的接收天线增益；GRL2为辅助站的接收链路增益。

(13)将上述两个公式相除，计算出GTA1