衛(wèi)星通信中天線極化隔離度的調(diào)整

王 暉，張新元，劉飛飛

（中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京 100094）

衛(wèi)星通信是地球站之間利用衛(wèi)星作為中繼站的一種無(wú)線電通信方式，具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)便捷等特點(diǎn)，在我國(guó)廣播、電視、數(shù)據(jù)通信等業(yè)務(wù)中得到廣泛應(yīng)用和蓬勃發(fā)展。在衛(wèi)星天線架設(shè)完成以后，要高質(zhì)量接收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)就需要準(zhǔn)確地調(diào)整衛(wèi)星天線，使得天線的方位角、俯仰角和極化角與衛(wèi)星相匹配。在指向同一顆衛(wèi)星的情況下，不同地理位置的衛(wèi)星天線方位角、俯仰角和極化角是不同的，因此同一副天線改變了位置，三個(gè)角都需要重新調(diào)整。如果三個(gè)角未調(diào)準(zhǔn)到合適的位置，會(huì)影響到極化隔離度的測(cè)試結(jié)果，導(dǎo)致天線的該項(xiàng)指標(biāo)不合格，無(wú)法入網(wǎng)運(yùn)行。以下所討論的，如無(wú)特殊說(shuō)明，都是線極化的情況。

1 天線的方位角、俯仰角和極化角

1.1 天線的方位角

天線的方位角是指天線的軸線在水平面的投影與正北方向的夾角，以正北為零，順時(shí)針方向?yàn)檎?。?dāng)?shù)孛嬲咎炀€位于北半球時(shí)，從參考文獻(xiàn)中得到方位角的計(jì)算公式為：

式中，e 為地球站的緯度（北緯為正，南緯為負(fù)）；λe為地球站的經(jīng)度（東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù)）；λs為衛(wèi)星經(jīng)度（東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù)）。

圖1 天線的方位角與經(jīng)緯度的關(guān)系

根據(jù)公式（1），當(dāng)衛(wèi)星位于λs=110.5°時(shí)，地球站位于不同經(jīng)度和緯度下（經(jīng)度80°～120°E，緯度2°～52°N），方位角的分布如圖1。

1.2 天線的俯仰角

天線的俯仰角是指天線的軸線與水平面的夾角。當(dāng)?shù)孛嬲咎炀€位于北半球時(shí)，從參考文獻(xiàn)中得到俯仰角的計(jì)算公式為：

式中，e，λe，λs的定義與式（1）中相同；Re=6378km，為地球半徑；H=35786km，為同步衛(wèi)星距地球表面的高度。根據(jù)式（2），當(dāng)衛(wèi)星位于λs=110.5°時(shí)，地球站位于不同經(jīng)度和緯度下（經(jīng)度80°～120°E，緯度2°～52°N），俯仰角的分布如下：

圖2 天線的俯仰角與經(jīng)緯度的關(guān)系

1.3 天線的極化角

天線的極化角是以其饋源中矩形波導(dǎo)的安裝方式?jīng)Q定的，并且是以地面為基準(zhǔn)定義的，當(dāng)矩形波導(dǎo)口窄邊平行于地面時(shí)為水平極化，當(dāng)矩形波導(dǎo)口窄邊垂直于地面時(shí)為垂直極化。在多數(shù)情況下，衛(wèi)星下行信號(hào)的極化方向并不是理想地平行或垂直于地面，而是隨著接收天線所處的地球經(jīng)緯度的不同而不同。為了使天線的極化方向與衛(wèi)星下行信號(hào)的極化方向相一致，接收天線饋源中波導(dǎo)口相對(duì)于地面需要傾斜一個(gè)角度Ψ，計(jì)算公式為：

式中，e，λe，λs的定義與式（1）中相同。根據(jù)公式（3），當(dāng)衛(wèi)星位于λs=110.5°時(shí)，地球站位于不同經(jīng)度和緯度下（經(jīng)度80°～120°E，緯度2°～52°N），極化角的分布如圖3所示：

2 天線的極化隔離度

天線的極化隔離度（CPI，Cross Polar Isolation）是用戶載波上星前需要測(cè)試的一項(xiàng)重要指標(biāo)。測(cè)試時(shí)，需要用戶在規(guī)定頻點(diǎn)處發(fā)射單載波，監(jiān)測(cè)站通過(guò)測(cè)量該單載波在正反兩個(gè)極化上的功率差值，得到極化隔離度。在監(jiān)測(cè)站看到的頻譜圖如下：

圖3 天線的極化角與經(jīng)緯度的關(guān)系

圖4 極化測(cè)試時(shí)的頻譜圖

我們所說(shuō)的極化隔離度是分量1和分量3之間的差值，這個(gè)差值是和發(fā)射站的極化相關(guān)的，中國(guó)衛(wèi)通要求在考慮通道差的情況下，此差值需要大于30dB。下面就簡(jiǎn)要講述三個(gè)分量的來(lái)源：為了討論的簡(jiǎn)單，我們假設(shè)衛(wèi)星上的天線是理想的，沒有H 和V極化的相互泄露。待測(cè)站發(fā)射的載波的電場(chǎng)為Et（f），依據(jù)衛(wèi)星的H 和V 極化對(duì)Et（f）做正交分解，可以得到Eth（f）和Etv（f），兩個(gè)極化分量分別進(jìn)入衛(wèi)星上的H 極化和V 極化通道，衛(wèi)星通過(guò)放大變頻將接收到信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)下去，下行的H 極化和V 極化通道分量為Esh（f-Δ1）和Esv（f-Δ2），其中Δ1和Δ2是衛(wèi)星上下行頻率之間的差值。由于衛(wèi)星變頻器的制作工藝，兩數(shù)值有稍許差別，大約在1kHz 左右。兩數(shù)值都約等于衛(wèi)星的本振（LO，Local Oscillator）。一般，在標(biāo)準(zhǔn)C 波段，衛(wèi)星的本振為2225MHz，在標(biāo)準(zhǔn)Ku 波段，衛(wèi)星本振為1750MHz。

在接收端（即監(jiān)測(cè)站），收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)下來(lái)的H 極化和V 極化通道分量Esh（f-Δ1）和Esv（f-Δ2），同時(shí)，接收天線存在H極化和V 極化的相互泄露，為了能清楚的看到泄露分量，我們將接收天線的H、V 極化軸定義為H'和V'，與H、V 有一個(gè)夾角，夾角大小與泄露程度以及接收天線極化（一般，監(jiān)測(cè)站的天線極化都已調(diào)整到最佳）有關(guān)，一般此角都比較小。對(duì)于接收到Esh（f-Δ1）來(lái)說(shuō)，又可以分解為兩個(gè)分量Erh（f-Δ1）和Erv（f-Δ1），這就是極化圖中的分量1和分量2。對(duì)于接收到Esv（f-Δ2）來(lái)說(shuō)，也可以分解為兩個(gè)分量Erh（f-Δ2）和Erv（f-Δ2），其中Erv（f-Δ2）就是圖中的分量3。通過(guò)調(diào)整待測(cè)站的方位、俯仰，使分量1最大，此時(shí)天線已經(jīng)準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星；旋轉(zhuǎn)待測(cè)站的饋源，調(diào)整極化角，使分量3最小，最終使分量1和分量3的差值大于30dB。在調(diào)整的過(guò)程中，可能需要反復(fù)調(diào)整方位、俯仰和極化角，才能最終達(dá)到要求。

圖5 極化分量在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的示意圖

3 天線的方位角、俯仰角和極化角對(duì)極化隔離度的影響

通常情況下，用戶準(zhǔn)備上業(yè)務(wù)之前都必須聯(lián)系衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行極化隔離度的測(cè)試。首先，用戶應(yīng)按前面公式（1）和（2）計(jì)算結(jié)果，或衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商提供的方位俯仰角，大致對(duì)上衛(wèi)星。在有頻譜儀或者接收機(jī)的條件下，可通過(guò)精細(xì)調(diào)整方位和俯仰角，使得載波（一般為衛(wèi)星信標(biāo)，有時(shí)也可能是轉(zhuǎn)發(fā)器上的載波）接受電平最大，就可以確定天線已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。在有頻譜儀的情況下，建議使用信標(biāo)電平作為參考，而且一般的衛(wèi)星在水平和垂直極化各自都有信標(biāo)。方位俯仰調(diào)到最佳后，可以旋轉(zhuǎn)饋源的角度，使得同極化的信標(biāo)調(diào)整到最大，反極化信標(biāo)調(diào)到最小，直至調(diào)到噪聲電平之下。在有接收機(jī)的情況下，可以參考轉(zhuǎn)發(fā)器上的載波進(jìn)行調(diào)整。

以上調(diào)整完成后，就可以聯(lián)系衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行極化隔離度的測(cè)試了。用戶在約定頻點(diǎn)發(fā)出單載波后，會(huì)被要求先旋轉(zhuǎn)饋源。如果天線已對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，僅通過(guò)旋轉(zhuǎn)饋源就可以使得極化隔離度達(dá)到30dB 以上。有些情況下，還需要調(diào)整方位俯仰。在協(xié)助用戶調(diào)整的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)方位角、俯仰角和極化角對(duì)極化隔離度的影響程度是不同的。

為了研究這種不同的影響程度，分別使用Ku 波段1.8M 和C波段2.4M 天線在不同衛(wèi)星上進(jìn)行測(cè)試。

將Ku 波段1.8M 天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，極化隔離度調(diào)整到最好為44.24dB，測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

3.1 改變方位角

表1 改變方位對(duì)極化隔離度的影響

圖6 改變方位對(duì)極化隔離度的影響

3.2 改變俯仰角

表2 改變俯仰角對(duì)極化隔離度的影響

圖7 改變方位對(duì)極化隔離度的影響

3.3 改變極化角

表3 改變極化角對(duì)極化隔離度的影響

圖8 改變極化對(duì)極化隔離度的影響

從以上數(shù)據(jù)可以看出，方位角從最大值減小了1.5°，極化隔離度減小了20.02dB；俯仰角從最大值減小了0.62°，極化隔離度減小了20.36dB。對(duì)于這幅天線來(lái)說(shuō)，極化隔離度對(duì)于俯仰角比方位角更敏感。

接下來(lái)，又測(cè)試了C 波段的2.4M 天線的方位、俯仰和極化對(duì)極化隔離度的影響。測(cè)試數(shù)據(jù)如下：

圖9 C波段的2.4M天線的方位、俯仰和極化對(duì)極化隔離度的影響

對(duì)于這幅天線來(lái)說(shuō)，極化隔離度對(duì)于方位角比俯仰角更敏感。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，由于不同天線設(shè)計(jì)上存在差別，因此極化隔離度對(duì)于方位角和俯仰角的敏感程度不同。

4 結(jié)束語(yǔ)

天線的極化隔離度是天線入網(wǎng)運(yùn)行必須要滿足的指標(biāo)。如果此項(xiàng)指標(biāo)不合格，能量會(huì)泄露到反極化上，入網(wǎng)運(yùn)行后，不僅對(duì)天線的發(fā)射能力有影響，而且會(huì)使反極化的用戶業(yè)務(wù)接收降低。通過(guò)極化隔離度測(cè)試后，用戶就可以通過(guò)天線發(fā)射或者接收衛(wèi)星信號(hào)。希望通過(guò)此文，使得衛(wèi)星使用者對(duì)極化隔離度測(cè)試有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，從而使衛(wèi)星更加安全、高效的運(yùn)行，發(fā)揮衛(wèi)星通信的最大效能。