地球站天線旁瓣峰值超標(biāo)問題的討論和分析

地球站天線旁瓣峰值超標(biāo)問題的討論和分析（陳奇波、秦順友、陳思滿）
    摘要在衛(wèi)星通信地球站天線入網(wǎng)要求中，旁辨包絡(luò)線要求是最重要的指標(biāo)之一。本文在總
結(jié)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的基
礎(chǔ)上，對(duì)于超標(biāo)問題如何進(jìn)行具體處理進(jìn)行了綜合分析，對(duì)于實(shí)際工作很有參考價(jià)值。
    關(guān)鍵詞  包絡(luò)線  旁瓣  旁瓣峰值
O引言
    地球站天線入衛(wèi)星通信網(wǎng)，主要是指同步軌道衛(wèi)星網(wǎng)，但衛(wèi)星通信目前處于大發(fā)展時(shí)期，
即將來臨的衛(wèi)星通信將分為高、中、低軌道，其中的高軌道就特指同步衛(wèi)星軌道。不管哪種軌
道的衛(wèi)星均有一個(gè)人衛(wèi)星通信網(wǎng)的指標(biāo)要求。為了確定協(xié)調(diào)距離或估算地球站和無線電接力站
之間的干擾，以及為進(jìn)行共同相同頻帶的不同衛(wèi)星系統(tǒng)的不同地球站和空間站之間的協(xié)調(diào)研究，
均有必要知道地球站天線在有關(guān)方向的增益。在計(jì)算衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾時(shí)，可能需要知道天線在
除了其主平面以外的其它平面上的輻射特性；在計(jì)算無線電接力系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間的相
互干擾時(shí)，特別是當(dāng)干擾源不止一個(gè)時(shí)，最好要知道天線旁瓣電平以及勞瓣峰值的統(tǒng)計(jì)性能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，從衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)一開始就在世界上對(duì)數(shù)百個(gè)地球站天線旁瓣特性進(jìn)行了統(tǒng)
計(jì)分析處理，而后制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。
    為了充分利用空間資源和頻譜資源，對(duì)地球站分辨包絡(luò)特性的要求也越來越高。
1主要要求及幾個(gè)基本概念
    同步軌道衛(wèi)星通信的地球站天線應(yīng)當(dāng)滿足下述旁賽包絡(luò)要求。
1.1 主要要求
    ①D／λ＞150的天線
    至少90％的分辨峰值增益G不超過下式所規(guī)定的包絡(luò)：
    G＝29-25Logψ         dBi
    其中G是相對(duì)于全方向性天線的增益，ψ是在同步衛(wèi)星軌道方向上相對(duì)于主瓣中心的偏高
角度。
    ②50＜D/λ＜150的天線
    至少 90％的旁瓣峰值增益  G不超過下式所規(guī)定的包絡(luò)：
    G＝32－25Logψ        dBi
    1995年以后安裝的天線，至少90％的旁港峰值增益G不超過下式所規(guī)定的包絡(luò)：
    G＝29-25Logψ         dBi
    以上要求對(duì)于ψ在1°（或（100λ／D）°）和 20°之間，以及3°以內(nèi)同步衛(wèi)星軌道的
任意偏軸方向上均應(yīng)滿足。1°與（100λ/D）°哪個(gè)大就取哪個(gè)為起始角。
1.2 幾個(gè)基本概念
（1）何謂一個(gè)峰值
    在上面的標(biāo)準(zhǔn)要求中總提到“至少 90％的旁瓣峰值增益”這一限定，在實(shí)際天線方向日
中怎樣才算一個(gè)峰值？它的定義為一個(gè)解其左右的谷點(diǎn)至少比最大值低2dB，該瓣才稱為一個(gè)
真正的分辨，其最大值定義為該瓣的峰值。但必須排除由于測(cè)試中的誤差而產(chǎn)生的峰值或在其
它方面無關(guān)重要的峰值，在我們實(shí)際工作中遇到過如下幾種情況，如發(fā)射功率不穩(wěn)定交跳（測(cè)
發(fā)射方向圖時(shí)）；測(cè)試過程中突然遇到大風(fēng)使無線來回?cái)[動(dòng)；天線在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中在某一角度退
到同頻干擾；在遠(yuǎn)旁辯測(cè)量時(shí)由于信噪比不夠，噪聲功率電子的起伏等等，都可能出現(xiàn)一些
“偽旁瓣”。這些都要在實(shí)際工作中盡量排除或采取相應(yīng)的措施解決。
（2）第一分辨在估算旁瓣包絡(luò)特性時(shí)是否計(jì)人旁瓣總數(shù)內(nèi)
    在衛(wèi)星通信地球站無線指標(biāo)要求中，專門將第一分辨要求提出，一般要求為等于和小于
-14dB�？墒窃诋嫲�絡(luò)線時(shí)有時(shí)將第一旁瓣包含在內(nèi)，遇到這種情況第一旁解到底算不算數(shù)？
以前我們碰到過，一種觀點(diǎn)認(rèn)為既然第一旁瓣有了專門的要求就應(yīng)不算數(shù)，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為應(yīng)
該算數(shù)，我們認(rèn)為應(yīng)持后一種觀點(diǎn)。若我們綜觀提出包絡(luò)線要求的目的，問題就不難理解。在
引言中已經(jīng)講到其根本目的是防止相互干擾和充分利用空間資源及頻率資源的，因此應(yīng)理解為
凡在包絡(luò)線之內(nèi)的旁瓣均算數(shù)，而對(duì)第一旁瓣提出的要求只是普遍要求中的特殊要求而已。因
為第一旁辯有時(shí)在包絡(luò)線內(nèi)（如無線口徑小時(shí)），有時(shí)又不在包絡(luò)線之內(nèi)（如天線口徑大時(shí)），
因此對(duì)第一旁瓣專門提出要求是很有必要的。
（3）方位和俯仰方向上包路線要求角度范圍是否不一樣
    在這里首先需要說明的是，經(jīng)常所講的同步衛(wèi)星軌道不應(yīng)理解為一個(gè)理想的圓，而是在一
個(gè)同步衛(wèi)星軌道帶內(nèi)均能“靜止”的衛(wèi)星，它是以“同步衛(wèi)星軌道”為中心約±2000km范圍內(nèi)
的一個(gè)軌道帶，平時(shí)以理想軌道圓作為計(jì)算中的參數(shù)，只是為了工作和數(shù)據(jù)處理的方便，作為
工程應(yīng)用就完全足夠了。因此ITU－RS580－5建議書中強(qiáng)調(diào)包絡(luò)線“要求對(duì)于ψ在1°（或
（100λ/D°）和20°之間，以及3°以內(nèi)同步衛(wèi)星軌道的任意偏軸方向上均應(yīng)滿足”。因此，
我們認(rèn)為包絡(luò)線在方位和俯仰方向上要求角度范圍應(yīng)該是不一樣的，即方位應(yīng)在1°（或
（100λ/D）°）和20°之間，而俯仰在±3°范圍內(nèi)即可。我們認(rèn)為這樣要求是有它的道理的。
在前面我們強(qiáng)調(diào)了包絡(luò)線的要求主要是為了防止相互干擾和空間資源及頻率資源的充分利用，
在衛(wèi)星方向上俯仰±3°內(nèi)可能對(duì)鄰星產(chǎn)生干擾，而在±3°以外就不存在這個(gè)問題，地球站天
線在俯仰±3°以外所發(fā)射的信號(hào)將進(jìn)人宇宙空間。如果地球站天線處于接收狀態(tài)，同樣在±3°
外接收的宇宙空間的信號(hào)（一般情況下為宇宙背景噪聲），因此我們認(rèn)為方位和俯仰要求不一
樣有它的道理。當(dāng)然也可能產(chǎn)生這樣的疑問，因?yàn)闊o線方向國（對(duì)衛(wèi)星通信使用的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱拋
物面天線）是對(duì)稱的，不可能方位方向好而俯仰方向差。眾所周知，目前對(duì)衛(wèi)星通信天線既要
求高增益又要求低旁瓣，這本身就是一對(duì)矛盾，因此在債源設(shè)計(jì)時(shí)就要求兩個(gè)面（E面和H面）
等化很好，這在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中也有不少困難，因此兩個(gè)面方向圖往往不完全對(duì)稱（當(dāng)然還有其它
因素的影響）。另外，又如單偏置天線，在俯仰方向上受著饋源支撐架的影響，使得俯仰方向
方向圖比方位方向圖有明顯差異。因此我們認(rèn)為對(duì)方位和俯仰兩個(gè)面要求不一樣是有其原因的，
對(duì)于實(shí)際工程是有利的。但遺憾的是，在實(shí)際人衛(wèi)星通信網(wǎng)中并沒有這樣實(shí)施，不知是為了工
作方便還是有其它原因不得而知。
2對(duì)于超包絡(luò)線的數(shù)值處理
    在標(biāo)準(zhǔn)要求中常有“至少90％的旁瓣峰值增益G不超過”的限定，其中“至少”的限制又
是近十幾年才有的（如CCIR Rec.580－1開始），它表明要求越來越嚴(yán)格。對(duì)于“至少90％旁
瓣”的處理也要根據(jù)具體情況而定，例如少于10個(gè)勞瓣怎么辦？小天線就可能出現(xiàn)這種情況。
2.1 天線方向用測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍問題
    在前面我們已經(jīng)講到，目前對(duì)衛(wèi)星通信地球站天線的要求，既要求高增益又要求低分辨，
天線增益（軸向）與遠(yuǎn)旁瓣峰值增益相差幾十分貝。因此為了準(zhǔn)確測(cè)量天線的輻射特性，就要
求有足夠的動(dòng)態(tài)范圍。所謂動(dòng)態(tài)范圍是指在該范圍內(nèi)線性要好，而且有足夠的信噪比，這樣才
能保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。
    動(dòng)態(tài)范圍為多少合適呢？在一般標(biāo)準(zhǔn)中有一規(guī)定：偏離軸向的角度ψ≥48°時(shí)，旁瓣包絡(luò)
G＝－10dBi，我們認(rèn)為該值可作為規(guī)劃動(dòng)態(tài)范圍的參考值（注：該值在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的本意主要
考慮地面反射的影響）。如一副6.2米天線在6GHz頻段標(biāo)稱增益為50dB，則要求測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍
為-60dB，若在方位上測(cè)量±20°（為修正后值），那么包絡(luò)線就要求為-53.5dB，在±20°處
的信噪比為6.5dB，根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)研究此信噪比引起的誤差可以容忍。
2.2 等于和大于10個(gè)旁瓣峰值的處理
    等于和大于10個(gè)分瓣峰值的處理問題，只要是入過衛(wèi)星網(wǎng)的都知道，就按照“至少90％的
旁瓣峰值增益G不超過”的標(biāo)準(zhǔn)處理就行。在此有個(gè)問題提出來，供有關(guān)專家和同行討論，即
若方向圖在軸向兩邊各有11個(gè)勞居，總數(shù)為22個(gè)分辨，如果有兩個(gè)超標(biāo)的旁潛在同一側(cè)，而另
一側(cè)沒有超標(biāo)旁瓣，顯然按總數(shù)不超標(biāo)（約91％合格），而按超標(biāo)一側(cè)統(tǒng)計(jì)就超標(biāo)（只有約
82％合格），這樣的問題如何處理更合適？如果從制定標(biāo)準(zhǔn)的根本目的是為了防止相互干擾
的話，我們認(rèn)為要作具體的分析。若超標(biāo)值在1.5dB以內(nèi)可以判定符合規(guī)范（即符合標(biāo)準(zhǔn)）；
若超標(biāo)值在2.5～2.8dB，如何處理更合適？因?yàn)榧词?0％的超標(biāo)也不容許超過包絡(luò)線3dB的限
制。因此我們?cè)冈诖颂岢鲈搯栴}與大家共同探討。
2.3 少于10個(gè)窮旁瓣時(shí)超標(biāo)問題的處理
    少于10個(gè)窮瓣時(shí)超標(biāo)問題的處理，現(xiàn)在提出一個(gè)按超標(biāo)角度范圍處理的方法。這種方法是
假如超過參考方向圖的那些旁瓣峰值所占有的角寬度Δψi之和不大于總?cè)�樣角寬度�?0％，
則判斷地球站無線符合技術(shù)規(guī)范（標(biāo)準(zhǔn)），即ΣΔψi／ψ≤10％。
    在衛(wèi)星通信地球站天線中，對(duì)于D/λ小天線，就會(huì)出現(xiàn)這種情況。在實(shí)際工作中，我們認(rèn)
為仍然要注意超標(biāo)的峰值電平不能超過3dB，即至少滿足G=32－25LogψdBi的規(guī)范。
2.4小信噪比時(shí)超標(biāo)問題的處理
    在前面我們談到測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍問題，在有條件的地球站天線測(cè)量中，不僅實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)
態(tài)范圍，而且在遠(yuǎn)旁瓣時(shí)仍有足夠的信噪比。但我們?cè)趯?shí)際工作中，特別是在天線廠家自己調(diào)
試測(cè)量中，有時(shí)某些監(jiān)測(cè)站（衛(wèi)星組織）也會(huì)碰到小信噪比的情況（特別是在遠(yuǎn)旁瓣測(cè)量時(shí)）。
眾所周知，由于信噪比不夠，信號(hào)將隨噪聲電平而變化，使信號(hào)電平“增加”，這在我們統(tǒng)計(jì)
分辨峰值時(shí)將受到影響。應(yīng)考慮系統(tǒng)噪聲對(duì)無線分辨電平的影響，其修正方法如下：
    設(shè)測(cè)量的無線旁瓣功率電平為（C＋N）（dBm），系統(tǒng)噪聲功率電平為N（dBm），則測(cè)量
的載噪比為：
    （C＋N）／N＝（C＋N）－ N（1）
    由測(cè)量的載噪比（C＋N）／N可得真實(shí)載噪比C/N為：
    C/N＝10Log［10(C+N)/N/10-1］（2）
    則天線旁辯電平修正因子CF為：
    CF＝（C＋ N）／N－ C／N（3）
    由測(cè)量載噪比大小，利用式（2）、式（3）可計(jì)算出修正因子的大小。隨著測(cè)量載噪比
的增加，CF逐漸減小，當(dāng)測(cè)量的天線分港電平接近系統(tǒng)噪聲時(shí)，應(yīng)考慮噪聲對(duì)天線旁港的影
響，則真實(shí)的無線分居電平（C＋ N）。為:
          （C＋N）。＝（C＋N）－CF（4）
摘自《無線電通信技術(shù)》