陆地卫星地面站天线系统g-t值计算.pdf

‘1泊、.J 6 优 公‘ 第7卷第 2 期遥 测技术 195 6 陆地卫星地面站天线系统 G / T 值计算 路圣业 (中国科学院空间中心地 而部) 提 要 : 本文分析了北京陆地卫星地面站 (北京 站)天线的 效率 、 增益 、 俯仰 角为 5 “ 时的 天 线噪声温度 、 馈线损失引起的系统噪声温度增加 、 场放和场放后面 各级对 系统噪声温度的影响 , 最治计算了系统各个 参 考卢 、 上天 线 的 G/T 值 , 计算 结果表明 : 天线系统的G/ T 值只与天 线俯仰角的高低 有关 , 与 系统参考卢 、 幻选 择 无关 一 、 引言 二 、 天线效平和增益 北京陆 地 卫二地 面 站 (以下 统称 “ 北京 站 ” )是一个在S 、 X波段 上跟踪 、 接收 、 记 录陆地 卫星 , 在 x 波段 上跟踪 、 接收 、 记录 s POT 卫 星的地 而 设备 表征这一设备性 能 的 重要指标是 地而站性 能 指 数一 G/T 泣 G 定义为在整个天线接收系统中某一参考点 上 的 总增益 T 定义为同一参考点 上系 统噪 声温 度 二者 之 比 称 为G/ T 值 。

G/ T 值 的单位为 dB/K G/ T 值与熟知的载 噪比 (C/N)和信噪比(s/ N) 直接有关 G 值 大表明卫星发射功率一定时 , 天 线接收的 功率多 ; T 值小表明 天线接收弱信号的能 力 强 , ’ 即探测距离远 为 了使北京站具有正常的 通道通信能 力 , 必须有一确定的 G/T 值 , 这个值可 通 过理论分析得 到 系统 的增益G是能精确计 算出来的 , 而天 线的噪声温度 T则只能 在晴 朗天 空假定条件下进行分析 , 因此 有一 定近 似性 , {匕龙汀站的 天线 是二个波 段 共用 灼卡塞 格 伦系统 , 其 主要 参 数如下 : 主反射面 (抛物而)直径D m二: 10 来 焦径比 F/ ‘DM 二 0 . 39 副反 射面 (旋转双曲面)直径 D :二 1 . 5 2 米 偏心率 e“ 1 . 5 5 共示意 图如 图 1 所示 : - 不 .5之 图1 北京站的卡氏天线 S 波段四个喇叭和 x 波段四个喇叭 是专 为双波段 跟踪而分别设 置的 〔’〕 , 其 尺 寸 示 于图2 心心叨 叨 由表1看出 : S波段在夭线输出端 效率 为0 . 4 0 4 5 , 增益G ^ 为 4 3 。

5 7dB ; X 波段 在 天线输出 端效率为 0 . 394 6 , 增 益 G ^ 为 5 4 . 64 dB 三 、 天线噪声温度分析计算 图 2 喇叭孔径近似尺寸 天线 增益与天 线孔径面积关系为 : G A 二 4二劝A “/ 久2 (1) (1) 式中 : G A 为天 线增益 , 月为 天 线效率 , A 为天 线有效 截面 积 , 久为 工 作波长 文献 〔3 ’ 对天 线效率进行了分析计算 , 结 果列 于表 1 当天线置于 某一 方 向时 , 天 线接收未 自 宇宙 和地面 的噪声辐射 , 接收的噪声功率不 仅与噪声辐 射的性质有 关 , 而且与天 线本身 的方向性 系数有 关 对同一天 线 , 指向地面 比指 向夭空接收 的噪声功率大得多;对 同一 噪声辐射源 , 经 由天线主波束进入 的 噪声功 率比 从旁瓣进人 的大得多 根据夭线效率可计算仰角为5 ”时 天 线噪 声温 度 〔2’ , 今分别对 S , X波段噪声温 度 进行计算 S 波段 : 1 . 主面漏失 勺: = 0 . 9 1 20 , 主面 漏 失能量为1 一勺: , 其一半到地面 , 取地面温 度 T 。

二 2 9 oK , 则噪声贡献 为 : X 1 一 2 T , “ (1 一勺2) T e二 12 76 K 主面漏失能量 另一半到空中 , 取空中平 表1 s 、 X 波段天线效率 S波 段 (2 . 2 6 5GH z )X波 段 (8 . 2 GH z ) 项 目 效 率增益 或损失( dB )效率增益 或损失( d B 二d,1- 匕 八匕1 1oCt J落 任 1 土勺 曰Q†甲 一 ‘ 匕 n口n乃b11八曰11八U八U n U 八U沼任 一一 一一一 一 一5 天线增益 孔径照明 主西 、 味失 副面i民失 副而 及支撑 遮挡 农面公 差 1 111= 0 7 70 9 112= 0 9 1 2 0 劝 s = 0 72 44 n 4 = 0 8 3 9 5 门5 = 0 9 90 8 1 1 97 0 5 117= 0 . 9840 ,}= 0 . 4045 4 7 50 一 1 1 3 一0 4 0 1 0 7 67 7 0 9506 0 749 9 0 8 3 9 5 0 88 9 2 0 98 1 7 0 . 9 8 40 0 39 4 6 】 58 · 6 8 n †八 匕 月 qOJ厅了月了 J 任 丹了 n 甘 11nU工 匕 11n U n U n U n U QJ 一 一一 一一4 相位 及 交叉极 化 { VS\ V 资 “ · 2 {) 〕’ } 一止二‘兰一) 一 2 3 一 均温度 T 舀 二 2 5 K , 则贡献噪声为 : T Z 二: 含 X (‘ 一 。

2,T‘=‘ · ‘ OK 2 . 副面 漏失 , : = 0 . 7 2 4 4 副面 漏 失能 量 为 (1 一 勺)”2 , 其 一半到地面 , 则 噪 声贡献为 : 甲 i 1 二 = — X 艺 (1 一勺3) 月ZT e二 36 . 45K 另一半到空中 , 则噪声贡献为 : T ‘二 (1 一勺3) 勺ZT二二3 . 14KX i 一 2 8 . 遮档 们‘ = 0 . 8 39 5 : 当口径均 匀 照射时 , 遮 挡系数定义为 1 一刀4 二S/ A = 副 面及其支撑 遮 挡面积/ 总口径面 积 , 即遮 挡 总能 量为 1 一”‘, 这个能量为宽角辐射 , 漏过部分为 (1 一, ‘) ”2, 3, 一半到地面 , 则噪声温度贡献为 : 义 i 一 2 T : 二 (1 一勺4) 刀2”sT G二 15 . 38K 另一半到 空中 , 则噪声温度贡献为 : T B 二 1 2 x (1 一 门 ‘) 4 主辫及近副 瓣 刃2门T 二 = 1 . 33K 主瓣及近 副瓣所 包含的能 量为们 2 刀:”4 : 二 , 其中刀 , 为主瓣 及近 副瓣占总波 瓣 能量 的百 分数 , 取 n。

0 . 9 8 , 这个能 量指向空中 , 其噪声温度贡献为 : T 7 二门: ”刀‘刃 二T g 二 1 3 . 59K 3 . 远副辫波瓣 的总 能量 为刀 2 刀3刀 4, 则 远副 瓣的能 量 为 : 们2刀3丫 ‘ (1 一 ” 二), 这 能 量的一半指 向地面 , 其噪声温度贡献为 : 四 、 有源和无 源器件的噪声 温度 北京站天线 接 收系 统都是 由有 源 器 件和 无 源器 件组 成的 , 它 们的噪声温度 是可以计 算的 有 源器件(如场放)的 噪声温 度 对系统 噪声温度影响很 大 在场放的输人端产生 的 有 效 输入噪声温 度 为 : T E I = (F 一 1)T (2) (2) 式中 , F 为噪 声 系数 , 定义为 场 放输入信噪 比与场放输出信噪比之比 为 环境温度 , 一 般取为 2 9 oK 对无 源器件 (如 同轴电缆 、 功率分配器 等) ,不 仅使通 过 它的能 量产生衰减 , 而 且 由于欧姆损失 , 也产生一 定 的热噪 声 , 增大 系统噪声温度 一 个 欧姆损 失为 L( d B )的 无 源器件 , 其有效的输入噪声温度为 : T :, = (i 一G / G)T 。

(3) (3) 式 中 , G1 , 与损 失 L 有 关 G 二 10 一 L/ ‘0 (4) 有源器件和 无源器件输 出有效噪声温度 为 : T Eo = GT :x (5) (5) 式 中 , G)1 表 示放大 G 1 表 示衰减 五 、 系统噪 声温度分析 T S = 合 X “ 一 : m ) 另一半指向空中 , 勺2勺s勺‘T 6 1K 则 噪声温度贡献 为 : 为了计算系统噪声 温度 , 将天线 接 收系 统表示为图 3 所 示的 线性 二端网的 串联 系 统 T p = 合 X (, 一 ” , ) 们2”3”咭”‘二 · “K 6 S 波段天线 嗓声温度为 T 人二 T , 十T Z +T 3 十T 4 十T , 十T 十T 7 +T s 十T g 二 8 5 . 5 0 K 按照表 1 给 出的天 线 效率同样可计算出 X波段天线噪声温度T 人= 7 9 . 了gK 区州工H 习 . j 仁口 ‘ 一圈 图 3 , 天线系统框图 在图 3 的天线系 统框 图中 , T A 是天线噪 声温度 , G 』、 T , 分别 为二 端网络 (有 源或 无 源器 件)的 增益 和有 效输人噪 声温 度 , 对 有 源 器件 , 有效输人噪声温度 山式 (2) 确 一 24 一 定 ; 对无源解件 , 有效输入噪声温 度山式 (3)确定 。

在图 3 中 , 输出端总的噪声功率为 : p 二 : KB [(T ^+ T : )G } G Z 一G N +T 2 G Z 一G N 十 ⋯ 十T NGN 〕 (6) 式 (6) 中 : K 是玻尔兹曼 常 数( l . 3 8 、 10 “” 焦耳/ K) B 为天线 接收 系 统 噪声 带 宽 将式 (6) 式除以整 个 系统 增 益 G 工GZ ⋯G 、, 则 得 : P , 二 KB(T A +T l 十T Z / G , 十 T : / G , G Z + ⋯ + T N / G : G : 一 G N 一, )(7) 在式 (7)中 , 括号里的系数为在参考 点 1 表示的系统噪声温度 , 记 作 : T ; , = T A斗 T 十 T : / G , 十T: / G , G Z + ⋯ +T N / G , G : ⋯G N 一, (8) 在 式 (8) 中 , 令T A 二 o , 则有 : T : : 二 T ; 十 T : / G , 、 一 T 3 / G 工GZ +T N / G I G : ⋯G N _ , (9) 式 (9) 中的 T E: 为天 线系统在参考点 1 表示的有 效 输入噪 声温 度 。

为 了计算方便 , 对 任一参考点 K , 定义 三种噪 声温 度 , 即源的噪 声温度 , 有效输 人 噪声温 度和 系统噪声温 度 , 如图 4 所 示 图 4 中的 K 是 参考点 , 将 K 的 左 面 部 分看作源 , K 的右面部分看 作 “负载 ” K 参 考 点定义的源温度 T ;K 表 示为 : T 工K = (T +T , ) G IGZ ⋯G K _; + T Z G : ⋯G K 一, 十 T K 一, G K 一, (10) 在 K 参考点定 义 的 “ 负载 ” 有效 输入 噪 声温度 T :K 为 : T :K 二TK、 T K 十: /G K十 ⋯ 十T N /G KGK , , ⋯G N 一 , (2 1) 在 K 参考点定义的 系统噪声温度 T s K 为 : T s: = T ; K 斗 ‘ T :K (22) 此时 , 天线 系统噪声温度框 图简化为 图 5 形式 : 图5 天线系统噪声 温简化框图 六 、 天线系统G/ T 值计算 在北京站天线 系统中 , 天线噪 声温 度是 在天线输出端计算的 , 因此 , 天 线 本身可看 作一 个噪声源 。

如果场 放直接在天线 输出端法兰 上 , 则 在式 (12 ) 中 , T IK =。