衛(wèi)星通信電調(diào)極化技術(shù)研究

中國電子科技集團公司第五十四研究所天線伺服專業(yè)部 王煥菊

衛(wèi)星通信電調(diào)極化技術(shù)研究

中國電子科技集團公司第五十四研究所天線伺服專業(yè)部 王煥菊

文中針對衛(wèi)星通信中極化失配產(chǎn)生的通信質(zhì)量差等問題，提出了一種電調(diào)極化技術(shù)。該技術(shù)通過控制一對正交線極化波的幅相比例關(guān)系，可實時進行極化調(diào)整。經(jīng)理論分析和實際測試，驗證了該技術(shù)的有效性。

極化；衛(wèi)星通信；極化隔離度

1 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,為充分利用頻率資源,增加轉(zhuǎn)發(fā)信號的數(shù)量,Ku波段多采用正交線極化方式,實現(xiàn)頻率復(fù)用。若地面通信設(shè)備極化調(diào)整不當(dāng),出現(xiàn)極化失配,則會產(chǎn)生極化損耗、交叉極化干擾等問題。具體而言,對于單極化天線,若極化失配,則會產(chǎn)生極化損耗,使信號功率降低;對于雙極化天線,若極化失配,則不僅會產(chǎn)生極化損耗,降低信號場強,還會使同頻正交信號相互干擾;對于接收信道,若極化不匹配,則會使接收信號功率下降,信噪比降低,嚴(yán)重時接收機無法接收到衛(wèi)星信號或解調(diào)不出衛(wèi)星信號,使通信中斷;對于發(fā)射信道,若極化不匹配 ,則會使發(fā)射信號交叉極化隔離度差,直接對同一轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)其它地球站的同頻正交信號造成干擾。因此,研究衛(wèi)星通信系統(tǒng)中極化調(diào)整技術(shù)對于提高通信質(zhì)量、實現(xiàn)頻率復(fù)用有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 極化的定義和極化角的產(chǎn)生

一般用電磁波的電場強度矢量的矢端在空間固定點隨時間變化的軌跡來表示電磁波的極化狀態(tài)。若電場矢量的端點隨時間變化的軌跡是直線時,該電磁波就是線極化波。線極化分為水平極化和垂直極化,它們都是相對于某一參考面而言的。地面接收天線的極化狀態(tài)是以衛(wèi)星接收點的地平面作為基準(zhǔn),若天線饋源的電場矢量與該地平面平行,則為水平極化;反之若與該地面垂直,則為垂直極化。而衛(wèi)星發(fā)射天線的極化狀態(tài)的基準(zhǔn)是衛(wèi)星軸系,若電場矢量平行于衛(wèi)星軌道平面,則為水平極化;若垂直于衛(wèi)星軌道平面,則為垂直極化?？梢娪捎诮邮仗炀€的極化狀態(tài)與發(fā)射天線的極化狀態(tài)采用的參考系不同,導(dǎo)致地面接收天線極化方向相對于衛(wèi)星發(fā)射天線必須旋轉(zhuǎn)一定的角度,才能實現(xiàn)極化匹配,而旋轉(zhuǎn)的這個角度就是極化角。

具體而言,假定衛(wèi)星波束中心與衛(wèi)星同經(jīng)度,那么與星下點(即衛(wèi)星在地球上的投影,該點位于赤道上,所在經(jīng)度與衛(wèi)星經(jīng)度相同)同經(jīng)度的非星下點接收天線的極化不需要調(diào)整,就能與很好地匹配衛(wèi)星輻射的電磁波;而與星下點不同經(jīng)度的非星下點接收天線的極化狀態(tài)必須旋轉(zhuǎn)一個角度,才能較好地匹配衛(wèi)星輻射的電磁波。如圖1所示:

圖1 極化角的產(chǎn)生

工程上,假定衛(wèi)星波束中心與衛(wèi)星經(jīng)度相同或相差較小,則地面接收天線的極化角P可用下式計算:

從公式1可以看出極化角與衛(wèi)星與接收站的經(jīng)度差以及接收站所在的緯度有關(guān)。相同經(jīng)度的接收站,極化角為0;相同緯度的地球站,經(jīng)度差越大,極化角越大。

3 交叉極化隔離度、極化損失與極化角之間的關(guān)系

首先以雙線極化接收天線為例,說明交叉極化隔離度(XPI)與交叉極化鑒別率(XPD)的區(qū)別。如圖2所示,天線收到的水平分量為:

天線收到的垂直分量為:

交叉極化隔離度(XPI)的定義為信號在本信道產(chǎn)生的主極化分量與在另一信道中產(chǎn)生的交叉極化分量之比,即:

交叉極化鑒別率(XPD)的定義為本信道的主極化分量與另一信號在本信道產(chǎn)生的交叉極化分量之比,即:

從定義可以看出,交叉極化隔離度用來衡量本信道產(chǎn)生的交叉極化分量對另一信號的影響,而交叉極化鑒別率用來衡量另一正交信道產(chǎn)生的交叉極化分量對本信道的影響;不論單極化還是雙極化系統(tǒng)都存在交叉極化隔離度,而交叉極化鑒別率僅存在于雙極化系統(tǒng)。交叉極化隔離度通常用于衡量發(fā)射端的干擾狀況,而交叉極化鑒別率則用于衡量接收端的被干擾情況。在雙極化系統(tǒng)中,通常有XPIXPD,而傳輸媒質(zhì)也是互易的,因此,數(shù)值上E1E2。故在衛(wèi)星通信地球站入網(wǎng)的實際測試工作中,不再區(qū)分XPI與XPD[1]。

圖2 雙極化接收天線示意圖

由E1E2,可得交叉極化隔離度與極化角之間的關(guān)系為:

極化損失與極化角之間的關(guān)系為:

由公式(6)、(7)可得如下曲線,如圖3所示:

圖3 極化隔離度、極化損失與極化角之間的關(guān)系圖

可見,若極化失配,雖然極化損失不大,但交叉極化隔離度已大大降低。

4 電調(diào)極化原理及實現(xiàn)

4.1 電調(diào)極化原理

簡言之,電調(diào)極化就是采用數(shù)字電路控制兩個正交線極化波的幅相比例,來獲得任意極化狀態(tài)的電磁波。具體而言,如圖2所示,假設(shè)載體上的接收天線與衛(wèi)星的極化夾角為,載體上的接收天線為一對正交的線極化天線,則接收天線收到的主極化波的電場矢量為,交叉極化波電場矢量為;天線的水平極化電場分量為,垂直極化電場分量為。

其中,天線的水平極化收到的主極化波的水平分量:

天線的水平極化收到的交叉極化波的水平分量:

天線的垂直極化收到的主極化波的垂直分量:

天線的垂直極化收到的交叉極化波的垂直分量:

則天線的水平極化為:

天線的垂直極化為:

綜上所述,可以看出,當(dāng)主極化波與交叉極化波同時進入接收天線時,經(jīng)過上述算法的處理,就可以把交叉極化波消除,從而達到極化匹配的目的。

4.2 電調(diào)極化實現(xiàn)

工程中,采用極化調(diào)整模塊來實現(xiàn)電調(diào)極化,極化調(diào)整模塊組成框圖如圖4所示。

進行極化狀態(tài)調(diào)整時,天線水平極化分量輸入經(jīng)過衰減器時保持不變,即為:

綜上所述,雙極化天線接收下來的兩路正交極化波,經(jīng)極化調(diào)整模塊之后,可濾除交叉極化分量,實現(xiàn)極化匹配。

圖4 極化調(diào)整模塊組成原理框圖

圖5 接收天線極化校準(zhǔn)設(shè)備連接示意圖

5 實測結(jié)果

5.1 測試方法

按照圖5所示,連接各儀器設(shè)備,校準(zhǔn)過程如下:

(2)分別測試待測天線水平極化通道、垂直極化通道接收的功率值;然后調(diào)整衰減器,使得兩通道接收的功率值一致;

(3)電調(diào)移相器,使得兩路信道接收到的功率和最大,即得主極化功率M(dBm);

(4)主極化通道移相器反相180°,即得交叉極化功率C(dBm);

(5)此時天線的交叉極化隔離度為M-C(dB)。

5.2 測試結(jié)果

根據(jù)以上測試方式,測得不同極化狀態(tài)下的極化隔離度:極化角為±90°時,極化隔離度均大于30dB;極化角為±45°時,極化隔離度均大于18dB;極化角為0°時,極化隔離度大于23dB。經(jīng)測試,全頻帶不同極化狀態(tài)下的極化隔離度均大于18dB,可滿足通信系統(tǒng)要求。

6 結(jié)束語

文中提出了一種極化調(diào)整方案,通過控制兩個正交線極化波的幅度和相位,實時對極化角進行調(diào)整。該極化校準(zhǔn)過程中波控計算機通過USB-GPIB轉(zhuǎn)接卡與頻譜儀連接起來,實時讀取、存儲測試結(jié)果,又通過CAN總線控制極化調(diào)整模塊中的移相器、衰減器,實現(xiàn)了自動極化調(diào)整。經(jīng)驗證該方法快速、高效,可有效解決衛(wèi)星通信中的極化失配現(xiàn)象,提高通信質(zhì)量。

［1］王衛(wèi)民 頻率復(fù)用通信系統(tǒng)中的交叉極化問題［J］.微波學(xué)報,第21卷增刊,2005(4):157-159.

［2］沈曉衛(wèi),姚敏立,林志強,畢清波.“動中通”變極化系統(tǒng)研究［J］.通信技術(shù),2007(9):5-7.

［3］車晴.衛(wèi)星廣播中線極化匹配問題的理論分析［J］.北京廣播學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),1998(2):8-16.

［4］王道平,陳輝華,何敏.“動中通”接收天線極化匹配及跟蹤技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù),2009(12):103-105.

王煥菊（1982—），女，河北石家莊人，博士研究生，主要從事射頻電路與微波技術(shù)研究。