天線罩去極化效應(yīng)及其補(bǔ)償

田海南，賈維敏，楊慧杰

(第二炮兵工程學(xué)院, 陜西 西安 710025)

0 引言

為使天線能夠工作于一個相對穩(wěn)定的環(huán)境，免受風(fēng)雨等外界因素的干擾，各種通信設(shè)備一般都在天線外部覆蓋天線罩[1]。然而，對于由多種材料、多層結(jié)構(gòu)復(fù)合而成的天線罩，極化電磁波通過它時，其振幅、相位、極化角等將發(fā)生不同程度的改變，這將導(dǎo)致信號的極化失配角增大，交叉極化水平增加，誤碼率上升，嚴(yán)重時將導(dǎo)致通信中斷，該現(xiàn)象稱之為天線罩去極化效應(yīng)[2-3]。有效預(yù)測并減少或消除天線罩的去極化效應(yīng)，對于通信領(lǐng)域具有重大意義。

1 天線罩去極化效應(yīng)原理

天線罩去極化效應(yīng)的大小由天線罩的材料、形狀、位置以及電磁波的頻率、極化角、波束指向角共同決定[4-5]。為簡化問題，可將天線罩各層材料視為一集合體，并將天線罩的局部近似看作一平面[6]。

根據(jù)極化電磁波分解與合成原理，可將入射到天線罩上的極化電磁波分解為垂直于入射面的ETE極化分量以及平行于入射面的ETM極化分量[7]。其中，信號的入射面定義為電磁波的入射方向與天線罩局部法線方向構(gòu)成的平面。天線罩去極化效應(yīng)的產(chǎn)生，是因?yàn)樘炀€罩對ETE極化分量和ETM極化分量的透射系數(shù)不同[8]，導(dǎo)致ETE極化分量和ETM極化分量通過天線罩時，具有不同的振幅衰減和相位延遲，從而導(dǎo)致通過天線罩后的兩個極化分量再合成的電磁波與原極化狀態(tài)不同，即產(chǎn)生了去極化效應(yīng)。

2 天線罩去極化效應(yīng)計算

以采用電子變極化方式發(fā)射線極化波的某動中通發(fā)射系統(tǒng)為例，如圖1所示。系統(tǒng)由3 dB電橋、可變衰減器、可變移相器、高功率放大器、天線、天線罩、天線控制電路等組成。

圖1 動中通電子變極化發(fā)射電路

當(dāng)發(fā)射信號從Tx端口進(jìn)入后，首先被3 dB電橋(也可改為功分器，但此時極化方式不發(fā)生改變)分割為左旋和右旋圓極化信號EL和ER，兩路信號的相位分別獨(dú)立受可變衰減器和可變移相器控制。信號EL和ER經(jīng)由高功率放大器(HPA)增強(qiáng)并且經(jīng)由另一3 dB電橋線性極化。所得水平和垂直極化信號Ex和Ey通過天線向空間輻射，所發(fā)射電磁波要通過天線罩。天線控制電路用來計算所需極化角，并通過控制可變衰減器和可變移相器的大小，實(shí)現(xiàn)極化角的調(diào)整。

設(shè)可變衰減器和可變移相器分別差分設(shè)置為A、1/A和?φ、+φ，在天線坐標(biāo)中計算天線罩投射場分量Ex和Ey：

極化波入射面和所希望的極化面如圖2所示，相對于入射面定義極化方向矢量ETE和ETM，并且相對于希望的極化面定義共極化方向矢量Eco和交叉極化方向矢量Ecross，并定義入射角α和希望的極化角?。

圖2 入射平面和極化平面坐標(biāo)系

根據(jù)以上關(guān)系，可將入射在天線罩上的一般場Ex和Ey轉(zhuǎn)換成天線罩入射面坐標(biāo)ETE和ETM：

設(shè)天線罩對ETE分量和ETM分量的傳輸系數(shù)分別為τTE和τTM(因?yàn)橐瑢ο辔坏挠绊懀师覶E和τTM均為復(fù)數(shù)形式)，τTE和τTM乘以天線罩投射場分量ETE和ETM，產(chǎn)生天線罩遠(yuǎn)側(cè)的場分量和：

將式(5)和式(6)帶入，可得：

可得交叉極化隔離度(XPD)為：

公式(11)為通過天線罩后信號的XPD。式中，τTE和τTM是天線罩復(fù)數(shù)傳輸系數(shù)，α是入射角而?是希望的極化角。接收時的天線罩去極化效應(yīng)計算結(jié)果仿照以上過程可得。

3 天線罩去極化效應(yīng)補(bǔ)償

由式(1)、式(2)與式(11)可知，天線罩導(dǎo)致的去極化效應(yīng)主要由天線罩傳輸系數(shù)τTE和τTM、電磁波入射面以及希望的極化角決定。當(dāng)天線罩確定后，測量天線罩傳輸系數(shù)τTE和τTM的值以及天線方位角、俯仰角與電磁波入射角之間的對應(yīng)關(guān)系，由式(1)、式(2)與式(11)聯(lián)立即可得到根據(jù)移相器和衰減器設(shè)置(分別為φ和A)的用于天線罩的方程式XPD。通過求解 XPD最大值，得到補(bǔ)償天線罩去極化效應(yīng)后移相器和衰減器所應(yīng)設(shè)置值的大小。

在發(fā)射時實(shí)時解算天線罩去極化效應(yīng)補(bǔ)償數(shù)據(jù)將會增加處理器的運(yùn)算量，為避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，可在得出天線罩去極化校正數(shù)據(jù)后，存儲于寄存器待用，處理器只需以預(yù)定速率(如大致 l0次/秒)從寄存器取得用于振幅和相位偏移的值即可。總的天線罩補(bǔ)償控制方案如圖3所示。

圖3 天線罩去極化校正電路

其中，處理器從天線罩校正數(shù)據(jù)存儲器取得天線罩去極化偏移值，通過內(nèi)插值計算得出所應(yīng)設(shè)置的可變衰減器和可變移相器的值，并通過加合器與衛(wèi)星跟蹤單元的輸出線性疊加，結(jié)果輸入控制單元，通過控制單元實(shí)現(xiàn)整個電路的極化控制。

4 結(jié)語

一般來講，天線罩對ETE極化分量的傳輸系數(shù)模值要比ETM極化分量小，且二者模值應(yīng)均不大于 1，即。 可設(shè)τTE=0.92ejπ/60，τTM=0.95ejπ/90，α=45?，?=20?。設(shè)電路使用5位數(shù)字衰減器和5位數(shù)字移相器，分別對不存在天線罩和存在天線罩兩種情況下系統(tǒng)的XPD進(jìn)行仿真，可得對比圖如圖4所示。

圖4φ和A取不同值時系統(tǒng)的XPD

由圖4可知，不存在天線罩時，該電子變極化發(fā)射系統(tǒng)的XPD最高為57.89 dB，覆蓋天線罩后若不進(jìn)行衰減器和移相器調(diào)整，則系統(tǒng)的XPD降低至45.3 dB，較原先降低了約12.5 dB。進(jìn)行天線罩去極化效應(yīng)補(bǔ)償后，系統(tǒng)的XPD最大值為50.58 dB，較未補(bǔ)償時提高了約5 dB?？芍?，進(jìn)行天線罩去極化效應(yīng)補(bǔ)償后，有效地提高了通信系統(tǒng)的XPD和極化匹配精度。

以上仿真結(jié)果是在忽略系統(tǒng)誤差以及元器件精度影響的條件下得出的，實(shí)際中的電子變極化發(fā)射系統(tǒng) XPD一般達(dá)不到57.89 dB，因此更加有必要進(jìn)行天線罩去極化效應(yīng)的補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)的XPD。依據(jù)上述原理進(jìn)行天線罩去極化效應(yīng)補(bǔ)償后配置的天線系統(tǒng)，具有基本上純粹線性極化的信號，可以高XPD發(fā)射。

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