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1、实验一地面站天线对准卫星的调整实验二天线方向图测试实验三卫星信号传输测试实验四 天馈线驻波比和天线端口隔离度测试卫星通信技术实验室2012年10月26日实验一地面站天线对准卫星的调整一、实验目的1. 掌握地面站天线对准卫星的调整方法2. 熟悉频谱分析仪的调整和使用二、实验内容1. 调整地面站天线对准目标卫星2. 用频谱分析仪测量卫星信标信号3. 计算天线极化隔离度三、实验原理1.地面站天线对准卫星的方位角、仰角和极化角方位角(AZ)：从接收点到卫星的视线在接收点的水平面上有一条正投影线，从接收点的正北方 向开始，顺时针方向至这条正投影线之间的角度称为方位角。仰角(EL)：从接收点仰望卫星的视线
2、于水平线构成的夹角称为仰角。方位角、仰角的示意图如图1-1所示。极化角(P )：极化角是指由于接收天线所在地位置与卫星所在地经度差的加大及地球曲率的影 响，而使天线馈源波导口相对于地面所形成的倾角。方隹A 图1-1方位角、仰角示意图方位角、仰角、极化角是由地面站天线的位置和同步轨道卫星的位置确定的。静止卫星的位置用其星下点的经度表示，地面站天线的位置用其所在地的经度和纬度表示。由 天线所在地的经度、纬度以及卫星的经度可算出天线对准卫星的方位角、仰角和极化角。设卫星经度为入s (东经为正，西经为负)，地面站经度为入e (东经为正，西经为负)，纬度为Q e(北 纬为正，南纬为负)。当地面站天线位于
3、北半球时，天线对准卫星的方位角、仰角、极化角的计算公式为:AZ 二 1800 arctgtg (九一九sesin 0e(1-1)EL = arctgcos(九 一九)COS 0 Res ee R + Hpl lcos(九一九)COS e 1see(1-2)P 二 arctgsin(九一九)setge式中：R 地球半经（6378Km）；eH同步卫星距地球表面的高度（35786km）。2.地面站天线的指向和极化角旋向的判定(1-3)天线的指向是由计算出来的方位角和仰角确定的，天线的极化旋向是由极化角确定的。一般情况下，方位角都是以正北方向为基准00,顺时针旋转为正，逆时针旋转为负。正东为900,正
4、南为1800，正西为2700。方位角的确定方法：可分为AZ=180。、AZV180。、AZ1800三种情况。其指向示意图1-2所示。当AZ =1800时，卫星位于接收站的正南方，天线指向正南。当AZV180。时，卫星位于接收站的东南方，天线指向正南偏东的角度为1800-AZ。当AZ1800时，卫星位于接收站的西南方，天线指向正南偏西的角度为AZ-1800。仰角的确定方法：可分为EL=0。，00VELV90。，EL=90。三种情况。其指向示意图1-3所示。(a) ELO(b) 00三种情况。极化角调整示意图如图1-4所示。图1-4是当地面站位于北半球时，观察者面向静止卫星时天线极化角的调整示意图
5、。图中列出 的是水平极化的情况。垂直极化的调整方法与此相同。图1-4极化角调整示意图从图中可以看出：当极化角P=0时，接收站与卫星同经度，其极化为理想的水平极化或垂直极化。当极化角PVO时，天线极化要左旋。所谓左旋，是指观测者面向静止卫星，左手拇指指向卫星 时，其余四指握转的旋向。当极化角P0时，天线极化要右旋。所谓右旋，是指观测者面向静止卫星，右手拇指指向卫星 时，其余四指握转的旋向。3. 地面站天线对准卫星的方位角、仰角和极化角调整天线对准卫星的调整，主要是调整天线对准卫星的方位角、仰角和极化角。调整方位角、仰角 是使天线对准卫星，调整极化角是使天线的极化与卫星的极化相匹配。3. 1天线方
6、位角调整首先用罗盘或指南针找到正南方，再调整天线方位调整装置使天线正对正南方。如果计算的方 位角AZ大于1800,则调整天线向正南偏西转动AZ-180。如果AZ小于1800,则调整天线向正南偏 东方向转动18O0-AZ。3. 2天线仰角调整首先调整天线仰角调整装置，再用罗盘仪量出仰角，直至天线仰角等于仰角的理论计算值。图 1-5是天线仰角测量方法示意图。(1)极化的概念主反射面天线主波束轴平行于主波束轴90地3. 3天线极化角调整EL9(T-A垂直于主波束轴卫星信号的极化有线极化和圆极化两大类。当电场矢量的指向随时间的变化始终是一条直线时，称为线极化(包括水平极化和垂直极化)。当电场矢量的指向
7、随时间的变化是一个圆时，称为圆极化(包括左旋圆极化和右旋圆极化)。(2) 卫星发射极化波的极化定义卫星发射极化波的极化定义是以卫星轴系为基准的。卫星运动轨迹近似为圆。当电场矢量方向与卫星所在点的圆的切线方向一致时，卫星发射的信号为水平极化。当电场矢量方向与卫星运动轨道平面垂直时，卫星发射的信号为垂直极化。(3) 地面站天线的极化定义地面站天线的极化定义是以卫星接收点的地平面为基准的。当电场矢量方向平行于地面时，为水平极化波。电场矢量方向垂直于地面时，为垂直极化波。天线双工器的接收端口和发送端口都是矩形波导。在矩形波导中，电场矢量的方向是垂直于波 导宽边的。因此：当矩形波导窄边平行于地平面时，电
8、场也平行于地面，定义为水平极化，传输的是水平极化波。当矩形波导的窄边垂直于地面时，电场也垂直于地面，定义为垂直极化，传输的是垂直极化波。(4) 极化角的调整地面站天线的极化调整通常指的是线极化天线的极化调整。在线极化的天线中，垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水 平极化特性的天线来接收。当天线接收极化方向与卫星发射波极化方向一致时，接收的卫星信号最大。当天线接收极化方向与卫星发射波极化方向不一致时，接收的卫星信号会变小，产生极化损失。 当天线接收极化方向与卫星发射波极化方向正交时，几乎收不到卫星信号，极化损失最大。只要天线的极化方向与卫星发射波的极化方向不一致，就会
9、产生极化失配，极化失配不但会导 致接收功率下降，还会在双线极化系统中产生交叉极化干扰。因此，必须调整极化角，将天线馈源旋转一个角度，使天线接收的极化与卫星发射波的极化相 匹配，提高天线接收卫星信号的能力。(5) 地面站天线极化调整原理地面站天线极化调整常用的方法有最大值法和最小值法。其原理分别为：最大值法：首先调整天线对准卫星，再用频谱分析仪接收卫星信标信号。调整待测天线双工器 的极化角，使频谱仪接收的信号电平最大，即天线极化与卫星极化一致。由于线极化馈源的近峰值 角度范围比谷值宽，因此确定峰值点的最好方法是：找出比峰值下降3dB点的位置，然后利用插入 法找出峰值点，确定峰值位置，在峰值位置上
10、接收的信号电平最大。最小值法：该方法的出发点是调整待测天线极化与卫星极化正交，使待测天线接收的信号电平 最小，然后将待测天线极化旋转900,使地面站天线极化方向与卫星来波极化方向一致，从而达到极 化匹配的目的。四、实验仪器及实验框图本实验采用Ku频段0.9米便携站天线对星调整。实验原理框图如图1-6所示：天线对准卫星的方位角、仰角、极化角由天线伺服控制器自动调整。天线伺服控制器根据目标 卫星的经度和天线所在地的经纬度，自动算出天线对准卫星的方位角、仰角、极化角，驱动方位、 俯仰和极化电机转动，使天线对准卫星。卫星天线伺服控制器垂直极化LNB卫星信标信号是表征卫星存在和特征的一种特殊信号，是由卫
11、星发射的一个频率和幅度固定的 信号。信标信号主要用于地面站天线对星调整和自动跟踪，为地面站搜索、测量、跟踪卫星提供依 据。实验中采用中卫一号卫星，他在Ku频段有两个相互垂直的信标信号，一个为垂直极化，频率 为12.2505GHz, 个为水平极化，频率为12.7495 GHz。地面站天线用来接收卫星信标信号，双工器将天线接收信号和发射信号分开，保证收发互不干 扰。LNB是低噪声下变频器,将接收下来的卫星信号进行低噪声放大和下变频。直流电源用来给LNB 供电，使LNB正常工作。频谱分析仪用来测量卫星信标信号电平的大小，以确定地面站天线是否准 确对准卫星。用频谱仪测量卫星信标信号时，要设置频谱分析仪
12、的工作频率。频谱分析仪的工作频率=卫星信号下行频率一 LNB本振频率。LNB 本振频率为：11.300 (GHz)。五、实验步骤1. 按图1-6连接测量系统，并使系统工作正常。2. 确定接收垂直极化(12.2505GHz)的卫星信标信号。3. 设置频谱分析仪工作频率为卫星信号下行频率一 LNB本振频率。4. 调整天线伺服控制器对星调整参数使天线对准卫星4. 1调整方位角，使频谱仪接收的信号电平最大，此时，天线在方位方向上准确对准卫星。4. 2调整俯仰角，使频谱仪接收的信号电平最大，此时，天线在俯仰方向上准确对准卫星。4. 3调整极化角，使频谱仪接收的信号电平最大，此时，天线极化与卫星发射波极化
13、相匹配。5. 用频谱分析仪测量垂直极化的卫星信标信号，记录测试电平。6. 将天线馈源旋转900,用频谱仪测量水平极化的卫星信标信号，记录测试电平。7. 计算天线极化隔离度。天线极化隔离度等于频谱分析仪测出的垂直极化的信标信号电平减水平极化的信标信号电平。六、实验数据实验数据如表1-1所示：表1-1天线对准卫星调整测试数据表实验项目实验数据实验仪器设备Agilent E4408频谱分析仪、Ku频段0.9米便携式卫星通信地球站天线天线对准的卫星卫星名称中卫一号卫星位置（经度）87.50天线所在地经纬度经度（度）118.780纬度（度）32.040天线对准星的 方位角、仰角、 极化角方位角（度）22
14、8.90仰角（度）39.70极化角（度）-39.80频谱仪测量 卫星信标信号卫星信标信号极化方式垂直极化卫星信标信号频率（MHz）12250.50LNB本振频率（MHz）11300.00频谱分析仪工作频率（MHz）12250.5-11300.0=950.50天线接收垂直极化的卫星信标信号电平（dBm）-77.4天线接收水平极化的卫星信标信号电平（dBm）-98.3天线极化隔离度（dB）-20.9七、思考题1. 地球站天线对准卫星的调整主要调整什么？答：方位角、仰角、极化角2. 怎样确定地球站天线对准了卫星？答：由天线所在地的经度、纬度以及卫星的经度可算出天线对准卫星的方位角、仰角和极化角。3. 为什么要调整天线极化？答：极化角是指由于接收天线所在地位置与卫星所在地经度差的加大及地球曲率的影响，而使 天线馈源波导口相对于地面所形成的倾角。4. 天线极化角的调整会不会影响天线极化隔离度？为什么？答：不会，因为天线极化隔离度等于频谱分析仪测出的垂直极化的信标信号电平减水平极化的 信标信号电平。实验二天线方向图测量一、实验目的1. 掌握天线方向图的测量原理和方法2掌握频谱分析仪的调整和使用方法二、实验内容1 测量天线接收方位方向图和俯仰方向图2. 利用所测方向图求出主瓣电平、副瓣电平、3dB波束宽度、10dB波束宽度和天线接收增
