地球站天线旁瓣峰值超标问题的讨论和分析

地球站天线旁瓣峰值超标问题的讨论和分析（陈奇波、秦顺友、陈思满）
    摘要在卫星通信地球站天线入网要求中，旁辨包络线要求是最重要的指标之一。本文在总
结实际经验的基
础上，对于超标问题如何进行具体处理进行了综合分析，对于实际工作很有参考价值。
    关键词  包络线  旁瓣  旁瓣峰值
O引言
    地球站天线入卫星通信网，主要是指同步轨道卫星网，但卫星通信目前处于大发展时期，
即将来临的卫星通信将分为高、中、低轨道，其中的高轨道就特指同步卫星轨道。不管哪种轨
道的卫星均有一个人卫星通信网的指标要求。为了确定协调距离或估算地球站和无线电接力站
之间的干扰，以及为进行共同相同频带的不同卫星系统的不同地球站和空间站之间的协调研究，
均有必要知道地球站天线在有关方向的增益。在计算卫星系统的干扰时，可能需要知道天线在
除了其主平面以外的其它平面上的辐射特性；在计算无线电接力系统和卫星通信系统之间的相
互干扰时，特别是当干扰源不止一个时，最好要知道天线旁瓣电平以及劳瓣峰值的统计性能。
为了实现上述目标，从卫星通信业务一开始就在世界上对数百个地球站天线旁瓣特性进行了统
计分析处理，而后制定了相应的标准。
    为了充分利用空间资源和频谱资源，对地球站分辨包络特性的要求也越来越高。
1主要要求及几个基本概念
    同步轨道卫星通信的地球站天线应当满足下述旁赛包络要求。
1.1 主要要求
    ①D／λ＞150的天线
    至少90％的分辨峰值增益G不超过下式所规定的包络：
    G＝29-25Logψ         dBi
    其中G是相对于全方向性天线的增益，ψ是在同步卫星轨道方向上相对于主瓣中心的偏高
角度。
    ②50＜D/λ＜150的天线
    至少 90％的旁瓣峰值增益  G不超过下式所规定的包络：
    G＝32－25Logψ        dBi
    1995年以后安装的天线，至少90％的旁港峰值增益G不超过下式所规定的包络：
    G＝29-25Logψ         dBi
    以上要求对于ψ在1°（或（100λ／D）°）和 20°之间，以及3°以内同步卫星轨道的
任意偏轴方向上均应满足。1°与（100λ/D）°哪个大就取哪个为起始角。
1.2 几个基本概念
（1）何谓一个峰值
    在上面的标准要求中总提到“至少 90％的旁瓣峰值增益”这一限定，在实际天线方向日
中怎样才算一个峰值？它的定义为一个解其左右的谷点至少比最大值低2dB，该瓣才称为一个
真正的分辨，其最大值定义为该瓣的峰值。但必须排除由于测试中的误差而产生的峰值或在其
它方面无关重要的峰值，在我们实际工作中遇到过如下几种情况，如发射功率不稳定交跳（测
发射方向图时）；测试过程中突然遇到大风使无线来回摆动；天线在转动过程中在某一角度退
到同频干扰；在远旁辩测量时由于信噪比不够，噪声功率电子的起伏等等，都可能出现一些
“伪旁瓣”。这些都要在实际工作中尽量排除或采取相应的措施解决。
（2）第一分辨在估算旁瓣包络特性时是否计人旁瓣总数内
    在卫星通信地球站无线指标要求中，专门将第一分辨要求提出，一般要求为等于和小于
-14dB。可是在画包络线时有时将第一旁瓣包含在内，遇到这种情况第一旁解到底算不算数？
以前我们碰到过，一种观点认为既然第一旁瓣有了专门的要求就应不算数，另一种观点认为应
该算数，我们认为应持后一种观点。若我们综观提出包络线要求的目的，问题就不难理解。在
引言中已经讲到其根本目的是防止相互干扰和充分利用空间资源及频率资源的，因此应理解为
凡在包络线之内的旁瓣均算数，而对第一旁瓣提出的要求只是普遍要求中的特殊要求而已。因
为第一旁辩有时在包络线内（如无线口径小时），有时又不在包络线之内（如天线口径大时），
因此对第一旁瓣专门提出要求是很有必要的。
（3）方位和俯仰方向上包路线要求角度范围是否不一样
    在这里首先需要说明的是，经常所讲的同步卫星轨道不应理解为一个理想的圆，而是在一
个同步卫星轨道带内均能“静止”的卫星，它是以“同步卫星轨道”为中心约±2000km范围内
的一个轨道带，平时以理想轨道圆作为计算中的参数，只是为了工作和数据处理的方便，作为
工程应用就完全足够了。因此ITU－RS580－5建议书中强调包络线“要求对于ψ在1°（或
（100λ/D°）和20°之间，以及3°以内同步卫星轨道的任意偏轴方向上均应满足”。因此，
我们认为包络线在方位和俯仰方向上要求角度范围应该是不一样的，即方位应在1°（或
（100λ/D）°）和20°之间，而俯仰在±3°范围内即可。我们认为这样要求是有它的道理的。
在前面我们强调了包络线的要求主要是为了防止相互干扰和空间资源及频率资源的充分利用，
在卫星方向上俯仰±3°内可能对邻星产生干扰，而在±3°以外就不存在这个问题，地球站天
线在俯仰±3°以外所发射的信号将进人宇宙空间。如果地球站天线处于接收状态，同样在±3°
外接收的宇宙空间的信号（一般情况下为宇宙背景噪声），因此我们认为方位和俯仰要求不一
样有它的道理。当然也可能产生这样的疑问，因为无线方向国（对卫星通信使用的旋转对称抛
物面天线）是对称的，不可能方位方向好而俯仰方向差。众所周知，目前对卫星通信天线既要
求高增益又要求低旁瓣，这本身就是一对矛盾，因此在债源设计时就要求两个面（E面和H面）
等化很好，这在设计生产中也有不少困难，因此两个面方向图往往不完全对称（当然还有其它
因素的影响）。另外，又如单偏置天线，在俯仰方向上受着馈源支撑架的影响，使得俯仰方向
方向图比方位方向图有明显差异。因此我们认为对方位和俯仰两个面要求不一样是有其原因的，
对于实际工程是有利的。但遗憾的是，在实际人卫星通信网中并没有这样实施，不知是为了工
作方便还是有其它原因不得而知。
2对于超包络线的数值处理
    在标准要求中常有“至少90％的旁瓣峰值增益G不超过”的限定，其中“至少”的限制又
是近十几年才有的（如CCIR Rec.580－1开始），它表明要求越来越严格。对于“至少90％旁
瓣”的处理也要根据具体情况而定，例如少于10个劳瓣怎么办？小天线就可能出现这种情况。
2.1 天线方向用测量的动态范围问题
    在前面我们已经讲到，目前对卫星通信地球站天线的要求，既要求高增益又要求低分辨，
天线增益（轴向）与远旁瓣峰值增益相差几十分贝。因此为了准确测量天线的辐射特性，就要
求有足够的动态范围。所谓动态范围是指在该范围内线性要好，而且有足够的信噪比，这样才
能保证测量数据的可靠性。
    动态范围为多少合适呢？在一般标准中有一规定：偏离轴向的角度ψ≥48°时，旁瓣包络
G＝－10dBi，我们认为该值可作为规划动态范围的参考值（注：该值在制定标准时的本意主要
考虑地面反射的影响）。如一副6.2米天线在6GHz频段标称增益为50dB，则要求测量动态范围
为-60dB，若在方位上测量±20°（为修正后值），那么包络线就要求为-53.5dB，在±20°处
的信噪比为6.5dB，根据我们的实验研究此信噪比引起的误差可以容忍。
2.2 等于和大于10个旁瓣峰值的处理
    等于和大于10个分瓣峰值的处理问题，只要是入过卫星网的都知道，就按照“至少90％的
旁瓣峰值增益G不超过”的标准处理就行。在此有个问题提出来，供有关专家和同行讨论，即
若方向图在轴向两边各有11个劳居，总数为22个分辨，如果有两个超标的旁潜在同一侧，而另
一侧没有超标旁瓣，显然按总数不超标（约91％合格），而按超标一侧统计就超标（只有约
82％合格），这样的问题如何处理更合适？如果从制定标准的根本目的是为了防止相互干扰
的话，我们认为要作具体的分析。若超标值在1.5dB以内可以判定符合规范（即符合标准）；
若超标值在2.5～2.8dB，如何处理更合适？因为即使10％的超标也不容许超过包络线3dB的限
制。因此我们愿在此提出该问题与大家共同探讨。
2.3 少于10个穷旁瓣时超标问题的处理
    少于10个穷瓣时超标问题的处理，现在提出一个按超标角度范围处理的方法。这种方法是
假如超过参考方向图的那些旁瓣峰值所占有的角宽度Δψi之和不大于总取样角宽度的10％，
则判断地球站无线符合技术规范（标准），即ΣΔψi／ψ≤10％。
    在卫星通信地球站天线中，对于D/λ小天线，就会出现这种情况。在实际工作中，我们认
为仍然要注意超标的峰值电平不能超过3dB，即至少满足G=32－25LogψdBi的规范。
2.4小信噪比时超标问题的处理
    在前面我们谈到测量动态范围问题，在有条件的地球站天线测量中，不仅实现所要求的动
态范围，而且在远旁瓣时仍有足够的信噪比。但我们在实际工作中，特别是在天线厂家自己调
试测量中，有时某些监测站（卫星组织）也会碰到小信噪比的情况（特别是在远旁瓣测量时）。
众所周知，由于信噪比不够，信号将随噪声电平而变化，使信号电平“增加”，这在我们统计
分辨峰值时将受到影响。应考虑系统噪声对无线分辨电平的影响，其修正方法如下：
    设测量的无线旁瓣功率电平为（C＋N）（dBm），系统噪声功率电平为N（dBm），则测量
的载噪比为：
    （C＋N）／N＝（C＋N）－ N（1）
    由测量的载噪比（C＋N）／N可得真实载噪比C/N为：
    C/N＝10Log［10(C+N)/N/10-1］（2）
    则天线旁辩电平修正因子CF为：
    CF＝（C＋ N）／N－ C／N（3）
    由测量载噪比大小，利用式（2）、式（3）可计算出修正因子的大小。随着测量载噪比
的增加，CF逐渐减小，当测量的天线分港电平接近系统噪声时，应考虑噪声对天线旁港的影
响，则真实的无线分居电平（C＋ N）。为:
          （C＋N）。＝（C＋N）－CF（4）
摘自《无线电通信技术》