通信论文移动通信卫星整星测试方法

　　本通信论文测试充分应用了系统自身的温度补偿校正能力，也得到了很好的补偿校正测试结果;5)对于测试问题的故障分析与定位，将测试结果与理论值相比较的方法，通常都是非常有效的故障诊断手段和方法，在本次测试中，这种方法在对近场测试问题的解决方面发挥了重要作用。《江苏通信》(双月刊)创刊于1985年，由江苏省通信学会主办。本刊“立足江苏通信行业，面向世界通信发展，报道最新科技成果，开展学术技术培训交流”。荣获1989、1993、1996、1998、2002年连续五届被评为通信行业优秀科技期刊、1999年江苏省优秀期刊。

　　摘要：整星系统级测试是验证整星系统最终性能指标不可或缺的重要环节。本文叙述了大型平面近场进行整星状态下含有效载荷变频系统的天线辐射性能的测试方法，通过整星变频系统的馈源阵初级方向图测试，导出馈源阵初级方向图至反射面仿真软件GRASP。将通信天线的最终二次覆盖方向图与仿真设计结果相比较，结果的一致性验证了整星系统的工作性能。

　　关键词：平面近场;整星测试;卫星天线;有效载荷;测试方法

　　通信卫星整星系统验证测试通常在大型紧缩场进行，利用紧缩场超大静区测试能力以及上下行收发双向无线测试能力，可以实现整星系统级端-端(end-end)的验证测试[1-3]。但是移动通信卫星的大型网状天线口径达Φ15m，即使是固面反射面天线，Φ15m也远超出了大型紧缩场Φ8m的测试静区，而且网状天线只能在地面上水平零重力展开，因此整星系统级测试只能在整星状态下，测试含有效载荷变频系统的大型通信天线馈源阵一次辐射方向图。即使这样，移动通信卫星整星特殊结构尺寸，以及通信天线馈源阵宽角覆盖方向图的测试需求，也超出了紧缩场转台的承载能力及转台转角测试能力，无法在紧缩场进行测试。考虑到馈源阵为螺旋天线的平面阵列结构特点，提出了移动卫星整星近场测试的方案，因为平面近场更适合于平面阵列天线的测试，而且在平面近场，无需旋转待测卫星及待测天线，只要平面近场扫描范围满足馈源阵列测试要求[4]即可顺利进行测试。但是对于整星状态下，含有效载荷变频系统的平面馈源阵的平面近场测试尚属首次，测试难度很大，本文详细叙述了平面近场整星系统测试的基本方法，并结合本次测试中遇到的问题，叙述了解决整星变频系统测试问题的具体方法。

　　1大型平面近场与紧缩场整星测试的比较

　　紧缩场的整星测试是在整星状态下测试系统最终的等效全向辐射功率(EquivalentIsotropicRadiatedPower，EIRP)、功率与噪声温度比(Gain/Temperature，G/T)、饱和通量密度(SaturationPowerFluxDensity，SPFD)、系统幅频特性、群时延、系统无源互调(PassiveInter-Modulation，PIM)电平等指标，通常在上下行天线的辐射最大值方向进行测试，在整星状态下验证最大指向方向的正确性，以及最大指向方向的性能指标，也会选取典型城市位置进行上述性能指标测试，而系统最终的辐射方向图覆盖特性是套用电性星天线方向图测试结果，即在整星状态下不再进行辐射方向图的测试。如前文所述，移动通信卫星由于其特殊的设计特点，无法实现电性星状态下的通信天线的方向图测试，即使仅考虑馈源阵带整星的状态。

　　移动通信卫星也超出了紧缩场转台的承载能力及转台转角测试能力，无法在紧缩场进行测试，况且通信天线馈源阵与转发器变频系统是一体的，转发器变频系统性能与天线性能是无法分割的，而且系统对天线最终覆盖特性的影响也需要整星系统级验证测试的内容，考虑到移动通信天线馈源阵的螺旋天线平面阵列结构特点，采用平面近场测试非常适合，因此，如何实现整星变频系统条件下通信天线馈源阵方向图测试，成为平面近场系统测试的难点和关键。平面近场测试无需旋转待测卫星及待测天线，同时利用平面近场扫频、波控(多波束)测试能力，实现整星状态下的扫频多波束测试，从而大幅提升测试效率，节省同一测试状态的多次重复测试时间，也是平面近场测试的核心技术及优势所在。但是在平面近场只能进行天线辐射方向图和整星系统EIRP[5-6]指标的测试，较紧缩场对整星系统全面的性能指标测试，平面近场测试有很大局限性。

　　2大型平面近场整星状态下馈源阵方向图测试的方法选择

　　2.1整星系统状态下验证测试的基本思路

　　如前所述，移动通信卫星通信天线采用十几米的大型网状天线，现有的大型平面近场扫描架扫描测试范围仅L×H(20m×8m)，无法实现对如此大口径通信天线的测试，但是可通过整星带通信天线馈源阵的平面近场扫描测试，将测试结果导入GRASP反射面仿真计算软件中，即可得到整星带大型通信天线的最终方向图覆盖性能。由于馈源阵与整星系统的不可分割特点，待测整星系统为变频系统，而近场测试系统为非变频系统，如何使用非变频测试系统进行整星变频系统的测试，即测试方法的选择也是非常重要的环节，下面逐一分析几种可选择的测试方法。

　　2.2引入相参测试通道的测试方法

　　引入标准喇叭做测试参考通道，变非相参测试为相参测试，但是由于卫星系统是变频系统，上、下行频率不同，近场测试系统还需要做相应的改变，有2种方法可实现合理的近场扫描测试。1)考虑到近场测试系统的接收机是工作在45MHz的中频，通过设置测试通道、参考通道分别工作在不同频段，可实现扫频近场测试，设置测试系统测试通道信号源工作频段，与待测卫星系统上行频段一致，设置测试系统参考通道LO信号源工作频段，与待测卫星系统下行频段一致，可实现近场快速扫频测试。由于商用测试软件不支持信号源和LO信号源的不同频段差异化设置，需采用自编程方式实现该种近场测试。2)通过近场测试系统中的多波束控制接口，将波控晶体管-晶体管逻辑电平(Transistor-TransistorLogic，TTL)触发信号通过一个外接控制器(另一台计算机)转变为信号源的频率切换TTL触发，使信号源按照预先配置的频率列表进行频率切换。这种情况下，测试系统中的信号源处于虚置状态，只起到程控IEEE-488总线控制作用，不参与实际测试，需另加一台信号源，按照上行工作频率预先配置好一组频率列表，当接到控制器发出的TTL触发信号时，切换测试频率到所需的测试频点。

　　测试系统的信号源和LO信号源按照整星下行或上行频段工作频率依此在近场测试软件中设置测试频率列表即可。3)将外加的上行信号源更换多载波信号源，使整星上行数个频点同时工作，下行对应的多个波束将同时发射出来，此时可实现多波束同时工作状态下的方向图测试，该测试状态也是整星的一个重要的测试状态，以验证测试多载波同时工作状态下的辐射性能，可进行系统C/I0性能的有效评估。上述测试方法存在的主要问题是所引入的相参标准喇叭的架设位置问题，既要保证测试系统有比较好的测试参考电平，又要不影响近场扫描测试过程，还得使标准喇叭对探头扫描测试的干扰降低到最低限度，要准备专门的标准喇叭架设支架，使得位置的选取方便，且高度可以方便地调整。而实际测试过程中，很难实现良好的位置和高度架设，另外采用相参测试，卫星系统中可能对馈源阵辐射性能影响的部分，会与测试通道一起抵消掉，因此，如果采用上述测试方法，需比较A测试通道测试结果与A/R测试通道/参考通道结果，以正确评估卫星系统对馈源阵辐射性能的影响程度。本次测试中，虽然进行了许多尝试，最终未能寻找到标准喇叭天线架设的最佳位置，参考通道的信号质量始终未能满足相参测试需求，最终未使用该相参测试的方法进行测试。

　　2.3在近场测试系统加入变频器的变频测试方法

　　在标准的近场测试系统中加入变频器，测试原理框图见图1、图2。使对卫星变频系统的测试转化为同频测试，但是加入的变频器含有一个本振源，该本振源的相位随时间漂移是信号源固有的特性，在通常的天线测试系统中，均采用一个共用的LO信号源为测试通道和参考通道提供LO信号，接收机接收中频信号进行测试，通过测试通道/参考通道的方式消除LO本振相位漂移的影响，即采用共本振技术消除源相位的漂移。为了使源相位的漂移最小，提出了使用高稳时基信号源的方案，首先进行单一频点、单个波束的馈源阵方向图测试。为了降低新增变频器系统对卫星系统的谐杂波影响以及卫星系统对测试系统的谐杂波影响，上行及下行通路均加入了专用滤波器。在系统稳定性测试过程中，发现该非相参的测试方法，源相位漂移的影响仍然很大，测试系统A/R测试结果在早上、中午、晚上的相位漂移量分别为20~30(°/h)、10~15(°/h)、5~6(°/h)，这种状态下的近场测试是完全不能满足测试要求的，也说明使用高稳时不变信号源的方法，不能解决源相位漂移问题。为解决该状态下的近场测试问题，采用了近场测试系统的温度补偿功能，近场扫描测试过程中，按照指定的时间间隔测试指定参考点位置的幅度、相位，拟合出整个扫描过程相位的变化直线，再按照拟合直线，逐点修正测试各个点的相位值，获得了良好的测试结果，需要说明的是，卫星天线通常为圆极化，圆极化天线通常需进行H和V极化的2次测试，2次测试之间间隔时间内的极化变化，还需人工予以校正。

　　通过系统稳定性测试的数据，可以看出，源相位的漂移量是与工作时间相关的，源工作时间越长，源相位的稳定性越高，因此，将变频器的外加LO本振源始终保持开机状态，则测试系统的测试稳定性将会进一步提高，测试精确度也会更高。但是源相位稳定性问题始终存在，因此温度补偿的方法需始终使用。在成功完成单一频点、单个波束的馈源阵方向图测试后，进行扫频多波束的馈源阵方向图测试。信号源为原近场测试系统的频率捷变信号源，同样使用近场测试系统的温度补偿功能，也可获得理想的测试结果。通过导入整星状态下含有效载荷变频系统的馈源阵一次辐射方向图至GRASP反射面仿真软件，将通信天线最终二次覆盖方向图与仿真设计结果做比较，获得一致的二次覆盖方向图，充分验证了整星系统工作性能，也得到了设计师队伍的高度认可。

　　3测试过程中关键技术难题及解决方法

　　3.1馈源阵一次方向图测试结果导入

　　GRASP软件计算结果二次方向图不聚焦问题近场测试的馈源阵一次方向图，按照GRASP软件要求的格式导出后，使用GRASP软件计算经十几米反射面反射后的二次覆盖方向图，发现不聚焦问题，采取了以下几种方法进行尝试：1)将近场测试的馈源阵近场扫描测试结果，倒推变换至天线口径位置的口径场，比较口径场测试结果与馈源阵本身口径场测试结果，口径场的一致性比较好，于是将口径场数据按照GRASP软件说明书要求的口径场格式导出，使用GRASP软件计算经十几米反射面反射后的二次覆盖方向图，但是发现仍不聚焦，后经过与GRASP软件厂家的沟通，确定GRASP软件还不具备口径场数据接口。

　　2)将近场测试的馈源阵近场扫描测试结果，倒推变换至天线口径位置的口径场，由口径场再次计算馈源阵一次远场辐射方向图，发现计算结果与近场扫描测试结果快速傅里叶变换(FastFourierTransform，FFT)后的馈源阵一次远场辐射方向图不同，导出后经GRASP软件后的二次方向图仍不聚焦，后经过分析排查及与近场测试设备厂家的沟通，确定为软件处理问题，应该是近场倒推口径场过程多了一次探头修正[7]造成的错误。3)将近场测试的馈源阵一次远场辐射方向图与馈源阵一次远场辐射方向图理论值比较，最终发现近场数据处理软件导出的72个切面的相位比理论值均多出一个极化角的相位值，这是各个切面方向图自带入的相位，去除该极化角度量后，测试结果与理论结果基本一致，再导出后经GRASP软件计算后的二次方向图聚焦。最终该问题得到圆满解决。

　　3.2卫星接收状态返向链路测试中出现干扰现象的问题

　　卫星发射状态的前向链路测试，由于馈源阵发射功率大，近场测试信噪比高，测试相对比较顺利，但是在转入卫星接收状态返向链路测试时，发现近场扫描测试的结果，在X向的中间位置附近，Y向扫描测试的结果是线性变化的，但是偏离X向的中间区域后的左右两边大片区域，测试电平突然变得很高，且没有变化，即Y向扫描测试的结果显示一片红色，且无起伏变化，见图3。经过仔细分析认为，在X向中间位置附近应该正好对应近场测试系统中信号源放置的位置，为了提高近场测试系统的测试动态范围，近场系统的信号源放置在扫描架运行下方的2条导轨之间，由于信号源的辐射发射泄漏，当扫描架沿X运行向运行到信号源所在位置时，正好遮挡住信号源的辐射发射泄漏，所以Y向扫描测试的结果是线性变化的，而当扫描架运行偏离信号源所在位置时，信号源的辐射发射泄漏出来。

　　由于卫星返向链路接收灵敏度极高，在上行-80dBm足以将系统推至饱和，因此信号源的辐射发射泄漏尽管非常低，但是仍被具有极高灵敏度的卫星系统接收到，并直接将卫星系统推至高电平响应区域，完全覆盖掉了由测试系统探头发射的信号，造成上述测试干扰现象。根据对干扰现象的分析结果，将近场场地内的信号源、LO本振信号源均搬回到暗室小门附近，重新连接测试系统，并加入滤波器，调整卫星系统增益以得到最佳的信噪比状态，设置近场测试系统的接收机中频带宽至10Hz，使得接收信号电平稳定度大幅提高，然后进行-30dB电平位置的近场测试系统接收电平稳定度测试，相位稳定度小于1°，重新进行返向链路的测试，测试结果正常，高灵敏度返向链路的测试干扰问题得到很好的解决。

　　3.3馈源阵一次方向图测试结果导入

　　GRASP软件计算结果聚焦但错开半个波束位置的问题将近场测试的馈源阵一次远场辐射方向图与馈源阵一次远场辐射方向图理论值的二维投影图进行比较，发现有旋转角度的偏差，光学瞄准给出的卫星星体旋转角度为33°，而方向二维投影图比较结果约为37°，经过光学瞄准数据的再分析，发现实际星体旋转角度为39.3°，经统一数据再处理后，二次方向图错开半个波束位置的问题得到解决。

　　3.4二次方向图副瓣偏差大的问题

　　将近场测试的馈源阵一次远场辐射方向图与馈源阵一次远场辐射方向图理论值的相位中心位置进行比较，发现有240mm的偏差，经过光学瞄准数据的再分析，发现馈源阵距离探头位置的瞄准有误，基准点位置偏差造成问题，修正后重新导出近场测试的馈源阵一次远场辐射方向图，二次方向图副瓣的吻合率也达到相当高的量级，至此，测试问题均得到圆满解决，测试结果满足总体测试精确度要求。

　　4结论

　　移动通信卫星整星变频系统测试问题通过一段时间的测试和问题排查，最终得到满意的验证测试结果，也使得卫星整星系统级的验证测试能力得到了提高，为今后更加复杂的整星系统级测试奠定了基础。总结整个平面近场移动通信卫星测试过程，有以下方面的问题需要特别注意;1)近场测试中，光学瞄准工作是非常重要的，光学瞄准不仅是确定待测馈源阵与扫描面的平行关系，还需确定卫星和馈源阵与扫描面之间的相对旋转角度关系，并确定馈源阵到扫描面的距离，即使是对单天线的测试，天线与扫描面之间的位置及转角关系也许不会影响远场方向图的形状，但会影响天线相位中心位置的计算结果，对于整星系统测试，测试的馈源阵一次方向图，还要导入GRASP软件计算二次方向，那么光学瞄准数据的正确与否将直接影响二次方向图结果;2)近场测试软件中，远场相位方向图通常不是特别关注的方面，即使查看相位方向图，也是看切面方向图，一般不会有问题，但是如果查看立体相位方向图，多数软件未将每个切面所携带的极化旋转角度信息去除，立体相位方向图会出现问题，尤其对于整星馈源阵测试结果，还要导入GRASP软件计算二次方向图，相位方向图信息是非常重要的;3)对于移动通信卫星的整星系统测试，反向上行链路灵敏度非常高，近场测试系统，如信号源等射频仪器设备，-80dBm以上微弱的射频泄露，都会造成对卫星系统的干扰，因此进行整星系统测试，需重新调整近场测试仪器设备的位置，远离整星系统，并使用吸波墙进行遮挡隔离，以保证整星系统的正常工作和测试;4)对于变频系统的测试，为非常规的近场测试，没有一个有效的参考相参通道用于抵消LO信号随时间变化引入的相位漂移，需使用有效的相位监测手段，并进行有效的补偿校正。

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