卫星通信课内实验报告14 101026.docx

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卫星通信课内实验报告14101026

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。

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λs（东经为正，西经为负），地面站经度为λe（东经为正，西经为负），纬度为φe（北纬为正，南纬为负）。

当地面站天线位于北半球时，天线对准卫星的方位角、仰角、极化角的计算公式为：

（1-1）

（1-2）

（1-3）

式中：

Re——地球半经（6378Km）；

H——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

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，正南为1800，正西为2700。

方位角的确定方法：

可分为AZ=1800、AZ＜1800、AZ＞1800三种情况。

其指向示意图1-2所示。

图1-2方位角指向示意图

从图中可以看出：

当AZ=1800时，卫星位于接收站的正南方，天线指向正南。

当AZ＜1800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AZ＞1800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=00，00＜EL＜900，EL=900三种情况。

其指向示意图1-3所示。

图1-3仰角指向示意图

从图中可以看出：

当EL=00时，地面站天线的口面垂直于地面，当EL=900时，地面站天线的口面平行于地面。

极化角旋向的确定方法：

也分为P＜0，P=0，P＞0三种情况。

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。

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。

P＜0P=0P＞0

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P＜0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P＞0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-1800。

如果AZ小于1800，则调整天线向正南偏东方向转动1800-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。

图1-5地面站天线仰角测量示意图

3．3天线极化角调整

（1）极化的概念

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。

图1-6便携站天线对星调整原理框图。

图中：

卫星用来向地面站发送信标信号。

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，一个为水平极化，频率为12.7495GHz。

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

AgilentE4408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）

228.90

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）

12250.50

LNB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）

-69.62

天线接收水平极化的卫星信标信号电平（dBm）

-94.20

天线极化隔离度（dB）

24.58

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益。

三、实验原理

天线方向图是用图示的方法表示天线辐射能量在空间的分布。

天线方向图的测量是天线最重要、最基本的电参数测量。

1．天线接收方向图测量原理

本实验采用卫星信标法测量便携站天线接收方向图。

测量原理框图如图2-1所示：

图2-1卫星信标法测量天线接收方向图的原理框图

设卫星的各向同性辐射功率为EIRPS（dBW），下行空间传播总损耗为LDOWN（dB），LNB低噪声放大器的增益为GLNB（dB），待测天线的接收增益为GR（θ）（dBi）（θ为天线偏离波束中心的角度，θ等于零表示天线在最大方向上的增益），射频电缆的传输损耗为LRF（dB），则到达天线口面的功率电平P（dBm）为：

（2-1）

进入频谱分析仪的RF功率电平Pmea（θ）为：

（2-2）

式（2-2）是卫星信标法测量地面站天线接收方向图的原理公式。

Pmea（θ）是频谱分析仪测量的RF信号电平。

当待测天线对准卫星时，GR（θ）最大，即Pmea（θ）最大。

当待测天线偏离波束中心时，GR（θ）发生变化，此时频谱仪测量的RF信号功率也随着变化，利用频谱仪的迹线功能，记录天线运动轨迹，即为测量的待测天线方向图。

2．天线方向图的主瓣、副瓣和3dB波束宽度、10dB波束宽度

天线方向图的主瓣、副瓣和3dB波束宽度、10dB波束宽度如图2-2所示：

方向图中有许多波瓣，其中辐射强度最大的波瓣称为主瓣，其余的波瓣称为副瓣或旁瓣，主瓣旁的第一个波瓣叫做第一旁瓣。

第一旁瓣电平要求低于主瓣电平14dB以上。

在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB的两点间的夹角定义为3dB波束宽度。

在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低10dB的两点间的夹角定义为10dB波束宽度。

天线方向图的波瓣宽度越窄，天线的增益越高，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。

图2-2天线方向图示意图

3．天线方位方向图方向角的修正

在方位方向图测量中，要考虑方位角的修正。

因为天线方位方向图中的方位角是空间方位平面指向角，而天线方位角显示器上显示的角度是水平面内的方位角，这两个角度是不一样的，其差值随着仰角的变化而变化，所以，在测量方位方向图时，要进行方位角修正。

方位角的修正公式为：

（2-3）

式中：

EL——天线对准卫星的仰角（0）；

AZ——天线未修正时的方位角，即要求天线转动的角度（0）；

——天线修正后的方位角（0）。

4．3dB波束宽度、10dB波束宽度计算公式

θ3dBBW——方向图中3dB波束宽度处的宽度秒数×天线转动速度（度）（2-4）

θ10dBBW——方向图中10dB波束宽度处的宽度秒数×天线转动速度（度）（2-5）

5．天线增益计算公式

根据EIA标准，天线增益采用3dB、10dB波束带宽方法计算。

（2-6）

式中：

G——为待测天线增益（dBi）

θAZ3dBBW——天线方位方向图的3dB波束宽度（0）；

θEL3dBBW——天线俯仰方向图的3dB波束宽度（0）；

θAZ10dBBW——天线方位方向图的10dB波束宽度（0）；

θEL10dBBW——天线俯仰方向图的10dB波束宽度（0）；

Loss——天线馈源网络的插入损耗（dB）；

接收支路Loss=0.35dB，（实验测得）。

f——为下行频率（GHz）；

rms——为抛物面天线表面精度，单位inch。

计算时rms取0.5mm，则：

四、实验仪器及实验框图

实验仪器及实验框图如图2-1所示：

五、实验步骤

1．按图2-1连接测量系统，加电预热，使仪器设备工作正常。

2．利用卫星信标，调整天线伺服控制器，驱动天线的方位和俯仰电机转动，使天线与目标卫星对准，调整天线极化与卫星极化匹配，此时频谱仪接收的卫星信标信号电平最大，待测天线处于波束中心。

3．设置频谱仪工作状态，测量天线接收方向图

1）固定待测天线仰角不动，测量天线接收方位方向图

驱动待测天线方位从波束中心逆时针转动-200。

注意开始和结束口令，驱动待测天线从左向右顺时针方向旋转，通过待测天线波束中心后到达+200位置停止。

频谱仪实时记录待测天线的方位方向图，并将测试方向图存入频谱仪。

5．固定待测天线方位不动，测量天线接收俯仰方向图

先将待测天线方位回到波束中心，使天线重新对准卫星。

再驱动待测天线俯仰从波束中心向下转动-150。

注意开始和结束口令，驱动待测天线从下向上转动，通过待测天线波束中心后到达+150位置停止。

频谱仪实时记录待测天线的俯仰方向图，并将测试方向图存入频谱仪。

6．利用频谱仪码刻功能，通过手工方法对测量结果进行处理，获得待测天线方向图的主瓣电平、副瓣电平、3dB波束宽度、l0dB波束宽度。

并将所测方向图从频谱仪中取出来。

六、天线方向图的测量图形、测量数据

天线方向图测量图形如图2-3、2-4所示：

图2-3

（1）、

（2）、（3）、（4）为方位方向图的主瓣电平、副瓣电平、3dB波束宽度、10dB波束宽度图。

图2-4

（1）、

（2）、（3）、（4）为俯仰方向图的主瓣电平、副瓣电平、3dB波束宽度、10dB波束宽度图。

天线方向图的测量数据如表2-1所示。

2-3

（1）方位主瓣电平图

2-3

（2）方位副瓣电平图

2-3（3）方位3dB波束宽度图

2-3（4）方位10dB波束宽度图

图2-3

（1）

（2）（3）（4）方位方向图

2-4

（1）俯仰主瓣电平图

2-4

（2）俯仰副瓣电平图

2-4（3）俯仰3dB波束宽度图

2-4（4）俯仰10dB波束宽度图

图2-4

（1）

（2）（3）（4）俯仰方向图

表2-1天线接收方向图测试数据表

实验内容

实验数据

实验仪器设备

AgilentE4447A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

卫星定点位置（经度）

87.50

卫星信标频率（MHz）

12250.5

卫星信标极化方式

垂直极化

天线所在地经纬度

经度（度）15.360

118.780

纬度（度）

32.040

天线对准卫星的角度

AZ：

228.90EL：

39.70P：

-39.80

天线仰角及转动范围（不修正）

EL=39.70转动范围：

EL±150=300

天线方位角及转动范围（未修正）

AZ=229.80转动范围：

AZ±200=400

天线方位角修正后的转动范围

当AZ±200=400时转动范围：

AZ＇=±15.360=30.720

实测天线方向图

图

（1）

图

（2）

图（3）

图（4）

天线转速

3dB

10dB

天线增益

主瓣

电平

（dBm）

副瓣

电平

（dBm）

3dB

Δ宽度

（sec）

10dB

Δ宽度

（sec）

度/（sec）

波束

带宽

（度）

波束

带宽

（度）

dBi

未修正

俯仰方向图

-75.01

-14.97

4.185

7.595

300/62s

2.025

3.675

26.4

方位方向图

-74.25

-20.64

4.40

8.58

400/88s

2.00

3.90

修正后

俯仰方向图

-75.01

-14.97

4.185

7.595

300/62s

2.025

3.675

27.5

方位方向图

-74.25

-20.64

4.40

8.58

30.720//88s

1.536

2.995

七、思考题　

1．利用卫星信标法，能否测量地面站天线的发射方向图?

答：

否，只能测量地面站天线的接收方向图。

2．天线方向图中的第一副瓣电平高了会产生什么影响?

答：

影响天线方向性，降低了天线抗干扰能力。

3．天线方向图中波束宽度的宽与窄，表明了什么？

答：

表面了波束宽度处的宽度秒数×天线转动速度的乘积大小。

4．利用卫星信标法测量天线接收方向图时，频谱仪的动态范围主要受到哪紫因素的限制？

答：

受到天线方向图的主瓣电平、副瓣电平、3dB波束宽度、l0dB波束宽度影响。

实验三卫星信号传输测试

一、实验目的

1．掌握卫星通信系统的组成及其工作原理。

2．掌握便携式、固定式卫星通信地面站的设备组成。

3．掌握卫星通信地面站发送和接收参数的设置和调整。

4．掌握

、误码率和接收信号频谱的测量方法。

二、实验内容

1．安装调整便携式、固定式卫星通信地面站设备，并使其工作正常。

2．调整便携式、固定式卫星通信地面站天线对准目标卫星。

3．利用卫星链路在便携式、固定式两个地面站之间传输业务信号。

4．按要求调整便携站、固定站的发送和接收参数，使卫星通信系统处于最佳工作状态。

5．测试不同传输速率下，便携站发、固定站收的

、误码率和接收信号频谱。

三、实验原理

1．卫星通信实验系统的组成及其各部分作用

图3-1是实验用的一种简单的卫星通信系统，它由一颗卫星转发器，两个地面站和上行线路、下行线路所组成，并构成卫星链路，进行卫星业务信号的传输测试。

1）上行线路、下线线路

在卫星通信系统中，从发射地面站到卫星的这一段线路称为上行线路，从卫星到接收地面站的这一段线路称为下行线路。

上行线路、下行线路都是电磁波的传播空间，由电磁波将通信卫星和地面站连接起来构成卫星通信链路，完成卫星通信的长途传输任务。

地面站将信号发送到卫星所采用的频率称为上行频率、卫星将信号发送到地面站所采用的频率称为下行频率。

因为上行信号和下行信号所走的路径是相同的，而且收发共用同一副天线，为使收发信号互不干扰，上行频率和下行频率是不一样的。

一般上行频率高于下行频率。

本实验中，地面站的发射频率为14～14.5GHz，接收频率为12.25～12.75GHz。

2）卫星转发器

卫星转发器是一个建立在空间的微波中继站。

卫星转发器由天线、双工器、接收设备、变频器和发射设备等组成。

其作用是将地面站发来的上行信号进行低噪声放大，变频（将上行频率的信号变成下行频率的信号），再经功率放大器放大后发送到地面站。

Ku频段0.9米天线便携式卫星通信地面站Ku频段1.2米天线固定式卫星通信地面站

图3-1卫星通信实验系统原理框图

3）卫星通信地面站

地面站是卫星通信系统中设置在地面上的通信终端站，用户通过地面站接入卫星通信线路，进行卫星通信。

地面站的作用是向卫星发送和接收来自卫星的信号。

本实验用两个地面站，一个为0.9米天线的便携式地面站，一个为1.2米天线的固定式地面站。

4）地面站上配置的主要设备和作用

（1）天馈线系统

天馈线系统由天线、馈线、双工器、天线伺服控制器等部分组成。

天线用来向卫星发射信号，同时接收来自卫星的信号。

双工器将接收信号和发送信号分开、保证接收和发射互不干扰。

天线伺服控制器用来调整天线对准卫星，并对卫星进行高精度跟踪。

（2）上变频高功率放大器BUC

上变频高功率放大器BUC将调制器送来的中频已调信号进行上变频和高功率放大。

（3）下变频低噪声放大器LNB

下变频低噪声放大器LNB将接收的卫星信号进行低噪声放大和下变频。

（4）卫星调制解调器

卫星调制解调器工作在L频段，主要对发送信号进行信道编码和调制，对接收信号进行信道解码和解调,并可测出误码率和Eb/N0。

5）交换机

交换机是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。

实验中用来对要传输的信息进行交换，实行双向传输。

2．信号流程

1）便携站发→固定站收

在便携式地面站上，用户IP电话信号或图像信号经以太网交换机送卫星调制器进行调制，变成0.95-1.45GHz的中频已调信号。

此中频已调信号由上变频高功率放大器BUC进行上变频，变成14.00-14.50GHz的微波信号，经高功率放大器放大后由天线发送到卫星。

卫星收到地面站发来的频率为1400-14.50GHz的上行信号后，首先进行低噪声放大，然后进行变频，将14.00-14.50GHz的上行信号变成12.25-12.75GHz的下行信号，经高功率放大器放大后，由天线发送到固定式