“動(dòng)中通”接收天線極化匹配及跟蹤技術(shù)研究

王道平,陳輝華,何 敏

摘 要:為了穩(wěn)定“動(dòng)中通”接收天線的極化軸,克服波束滾動(dòng)引起的交叉極化干擾,從而提高“動(dòng)中通”通信質(zhì)量。以波束實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)為依據(jù),分析極化匹配的原理,研究“動(dòng)中通”中交叉極化干擾的產(chǎn)生途徑。利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換導(dǎo)出極化角的計(jì)算公式,討論極化跟蹤的必要性,建立極化跟蹤的模型。采用電子變極化技術(shù)設(shè)計(jì)了適用于平板天線的“全電子”新型極化跟蹤網(wǎng)絡(luò),闡述該網(wǎng)絡(luò)的工作原理,為“動(dòng)中通”的極化跟蹤提供了新的途徑。

關(guān)鍵詞:動(dòng)中通;極化匹配;交叉極化干擾;極化跟蹤

中圖分類號(hào):TN927+.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)12-103-03

Research on Polarization Matching and Polarization Tracking about Satcom on

Move Received Antenna System

WANG Daoping,CHEN Huihua,HE Min

(The Second Artillery Engineering Institute,Xi′an,710025,China)

Abstract:To stabilize polar axis and overcome cross-polar interference,the theory for matching polarization is analyzed based on how to aim at the antenna wave beam in time.The way which the cross polarization interference results from is also investigated and the formula used to calculate polar angle is deduced from the coordinate revolving.The necessity to track polarization is argued.A model to track polarization axis is founded.A new polarization tracking network which is controlled electrically and specially applied on the panel antenna is designed based on the electronic polarization-agile technology.The theory how the network works is also expounded.A new method to track polarization axis is achieved through the thesis.The works achieved in this thesis is proposed to enhance the quality of Satcom on the move.

Keywords:satcom on the move;polarization matching;cross-polarization interference;polarization tracking

0 引 言

移動(dòng)中的衛(wèi)星通信——“動(dòng)中通”(Satcom on the Move)利用衛(wèi)星作為中繼,可以在移動(dòng)載體(運(yùn)動(dòng)中的車、船等)雙方實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、大容量、不間斷地傳遞多媒體信息,因而成為通信業(yè)最具前景的發(fā)展方向之一。“動(dòng)中通”的關(guān)鍵技術(shù)在于如何實(shí)現(xiàn)安裝在移動(dòng)載體上的天線對(duì)衛(wèi)星波束的實(shí)時(shí)跟蹤,從而實(shí)現(xiàn)雙方的穩(wěn)定通信。

天線對(duì)衛(wèi)星的波束跟蹤包括波束指向跟蹤與極化跟蹤。波束指向跟蹤保證載體在移動(dòng)中天線波束的軸線與衛(wèi)星波束軸線的實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)。極化跟蹤保證天線的極化與衛(wèi)星的極化實(shí)時(shí)匹配。目前國(guó)內(nèi)的“動(dòng)中通”大多只對(duì)波束指向的跟蹤進(jìn)行研究。理論與實(shí)踐均證明如果天線的極化與衛(wèi)星的極化不匹配會(huì)對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,甚至造成通信的暫時(shí)中斷[1]。因此有必要對(duì)極化的匹配及跟蹤進(jìn)行研究。

1 極化匹配

電磁波的極化定義為電場(chǎng)矢量的振蕩方向。如果電場(chǎng)矢量在與傳播方向相垂直的平面上的投影是直線,則稱為線極化波。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,國(guó)內(nèi)衛(wèi)星系統(tǒng)均采用線極化方式[2]。天線輻射或接收的電磁波均具有特定的極化方向。當(dāng)接收天線與發(fā)射天線的極化方向不一致時(shí)會(huì)引起接收信號(hào)質(zhì)量的降低。極化匹配就是研究如何調(diào)整天線的極化使之與衛(wèi)星的極化相一致。

在衛(wèi)星通信中地面接收天線的極化與衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器極化定義的基準(zhǔn)不同,這就使接收天線的極化面與衛(wèi)星天線的極化面之間有一個(gè)夾角,這一夾角稱為極化偏角,如圖1所示。

極化偏角的計(jì)算公式如下[3,4]:

θs=arctan(sin Δφ/tg γ)(1)

式中:Δφ為載體所在位置與衛(wèi)星的經(jīng)度差;γ為載體所在處的緯度。

2 交叉極化干擾分析

為了緩解日趨緊張的頻譜資源,衛(wèi)星通信普遍采用正交極化的頻率復(fù)用技術(shù)[5]。理想情況下正交極化端口間應(yīng)該互不影響,但實(shí)際上對(duì)于正交雙線極化接收而言,水平極化的接收天線也能接收到衛(wèi)星發(fā)來(lái)的垂直極化信號(hào);同理垂直極化的接收天線中也能接收到衛(wèi)星發(fā)來(lái)的水平極化信號(hào),從而產(chǎn)生交叉極化干擾。其產(chǎn)生原因主要有2種:極化誤差角和大氣降雨等的去極化效應(yīng)。

圖1 極化角示意圖

2.1 極化角的擾動(dòng)

對(duì)于固定接收站,極化角是固定的,其值可由式(1)計(jì)算。對(duì)于“動(dòng)中通”接收天線,由于載體在行使中會(huì)遇到崎嶇、坡度等各種路況,因此載體的姿態(tài)是時(shí)變的。這種變化表現(xiàn)為橫滾、縱搖和偏航三個(gè)角度的變化。載體姿態(tài)的變化通過(guò)天線座耦合到天線板,從而引起天線對(duì)星所需的方位、俯仰、極化三個(gè)角度的變化。把這種時(shí)變的極化角稱為極化源轉(zhuǎn)角,在具體操作中它表示為波束對(duì)準(zhǔn)而需要繞天線波束主軸旋轉(zhuǎn)饋源的角度。極化源轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式如下[6]。

γ=arctan(-T1/T2)(2)

式中:

T1=(cos Vcos A+sin Vsin Asin E)?

(sin θcos ψ-cos θsin ψsin φ)+

(-cos Vsin A+sin Vcos Asin E)?

(-sin θsin ψ-cos θcos ψsin φ)+

(-sin Vcos E)(cos θcos φ)(3)

T2=(sin Vcos A-cos Vsin Asin E)?

(sin θcos ψ-cos θsin ψsin φ)+

(-sin Vsin A-cos Vcos Asin E)?

(-sin θsin ψ-cos θcos ψsin φ)+

(cos Vcos E)(cos θcos φ)(4)

式中:ψ,φ,θ是載體在地理坐標(biāo)系中的姿態(tài)角。其中,ψ指載體縱軸沿前進(jìn)方向在水平面上的投影與正北的夾角,以順時(shí)針為正;φ指載體縱軸軸向與水平面的夾角,以向上為正;θ指載體繞自身縱軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度,以逆時(shí)針為正,當(dāng)載體縱軸平行于水平面時(shí)為零。ψ,φ,θ可由天線座上的姿態(tài)測(cè)量元件實(shí)時(shí)讀出;A,E,V是理想指向波束在地理坐標(biāo)系中的姿態(tài)角,其中A表示波束軸線在水平面上的投影與正北的夾角,以順時(shí)針為正;E表示波束軸線與水平面的夾角,以向上為正;V表示為極化匹配而需要調(diào)整的極化角,即波束繞自身軸線轉(zhuǎn)過(guò)的角度,以逆時(shí)針為正。A,E,V可由以下公式計(jì)算得到[3]:

A=180+arctan[tan(L1-L2)/sin B](5)

E=arctancos Bcos(L1-L2)-0.1511-[cos Bcos(L1-L2)]2(6)

V=arctan[sin(L1-L2)/tan B](7)

由此可見(jiàn),載體姿態(tài)的變化會(huì)引起極化源轉(zhuǎn)角的變化,從而引起交叉極化干擾。

2.2 大氣去極化

影響較大的是對(duì)流層中的多經(jīng)效應(yīng),降雨去極化以及電離層的法拉第旋轉(zhuǎn)相應(yīng)。由于去極化現(xiàn)象使得線極化波穿過(guò)大氣層后偏離原來(lái)的指向,從而引起接收端的交叉極化干擾。

綜上所述,由于交叉極化干擾的存在使得雙極化接收天線的同極化端口也能收到交叉極化的信號(hào),如圖2所示。接收天線中收到的同極化信號(hào)和交叉極化信號(hào)的比值定義為交叉極化隔離度(XPD),它是衡量交叉極化干擾程度的量值。為了保證穩(wěn)定可靠的通信,通常要求天線的XPD大于30 dB[7]。

如圖2所示XPD可用下式計(jì)算:

XPD=(EV2/EH2)2(8)

圖2 雙極化接收示意圖

3 極化跟蹤方案

第1節(jié)和第2節(jié)分別討論了極化匹配和交叉極化干擾。結(jié)論是:為了在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行衛(wèi)星通信,接收站天線的極化必須和衛(wèi)星的極化實(shí)時(shí)匹配以消除交叉極化干擾。

極化的實(shí)時(shí)匹配可以通過(guò)極化跟蹤網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)極化誤差角引起的交叉極化干擾,可以通過(guò)調(diào)整天線的極化指向,使之達(dá)到相應(yīng)的角度來(lái)抵消干擾。調(diào)整方法有多種,固定接收站通常采用手動(dòng)旋轉(zhuǎn)饋源的高頻頭來(lái)調(diào)整[8],“動(dòng)中通”接收天線通常采用極化調(diào)整電機(jī),由電機(jī)驅(qū)動(dòng)高頻頭實(shí)時(shí)調(diào)整極化源轉(zhuǎn)角。手動(dòng)和電動(dòng)極化調(diào)整都需要饋源高頻頭的物理移動(dòng)。然而對(duì)于具有廣闊發(fā)展前景的“低輪廓?jiǎng)又型ā倍?為了降低天線的高度普遍采用平板相控陣天線,這種天線的饋源相對(duì)于天線板是固定的。對(duì)于不便移動(dòng)饋源的天線,極化指向的調(diào)整,可以采用電子變極化方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)降雨去極化等隨機(jī)極化干擾,可以通過(guò)設(shè)計(jì)自適應(yīng)交叉極化干擾抵消器(XPIC)來(lái)抵消干擾。XPIC的基本原理是利用干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆群拖辔蛔儞Q產(chǎn)生出與原干擾信號(hào)等幅反相的信號(hào),該信號(hào)與有用信號(hào)相疊加,從而消除有用信號(hào)中的干擾信號(hào)[9]。XPIC可以在基帶、中頻或射頻段實(shí)現(xiàn)。這里的研究在射頻實(shí)現(xiàn)XPIC。

基于以上兩點(diǎn),設(shè)計(jì)了圖3所示的適用于低輪廓“動(dòng)中通”的極化跟蹤網(wǎng)絡(luò)。

圖3 極化跟蹤網(wǎng)絡(luò)

該網(wǎng)絡(luò)由雙極化天線、極化調(diào)整單元、極化控制單元、傳感器和雙極化輸出(H,V)端口組成。其中,極化調(diào)整單元包括2個(gè)3 dB電橋和1個(gè)可調(diào)移相器。

從功能上,網(wǎng)絡(luò)分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩大部分。開(kāi)環(huán)部分的傳感器有GPS和慣性測(cè)量元件,閉環(huán)部分的傳感器是微波探測(cè)器。所有傳感器的信號(hào)都送到極化控制單元,極化控制單元對(duì)來(lái)自傳感器的信號(hào)進(jìn)行處理,然后產(chǎn)生,控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)可變移相器φ產(chǎn)生相應(yīng)的相移量,從而消除交叉極化干擾,實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星極化的實(shí)時(shí)跟蹤。

開(kāi)環(huán)部分完成極化誤差角(包括極化偏角和極化源轉(zhuǎn)角)的調(diào)整。可以證明,當(dāng)極化誤差角為θ時(shí),只需使可變移相器的相移量為2θ便可以消除誤差。

閉環(huán)部分實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)交叉極化干擾抵消。其中的微波探測(cè)器可以是幅度傳感器或者相位傳感器(相位探測(cè)器)。如果采用相位探測(cè)器,當(dāng)輸出信號(hào)中有交叉極化干擾存在時(shí),干擾信號(hào)與有用信號(hào)存在隨機(jī)的相位差,此時(shí)相位探測(cè)器有誤差信號(hào)輸出,經(jīng)極化控制單元處理后輸出移相器的驅(qū)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)移相器產(chǎn)生相移使干擾向減小的方向移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的跟蹤。無(wú)論采用何種傳感器,在此過(guò)程中設(shè)計(jì)有效的跟蹤算法是至關(guān)重要的。

就系統(tǒng)整體而言,開(kāi)環(huán)部分可以作為極化的粗調(diào),閉環(huán)部分可以作為極化的微調(diào)。整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程可簡(jiǎn)述如下:

在衛(wèi)星的初始捕獲階段,極化控制單元利用GPS接收機(jī)送來(lái)的載體經(jīng)緯度,并結(jié)合所選的通信衛(wèi)星的經(jīng)度,利用式(1)由計(jì)算程序,算出對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星所需的極化偏角式,計(jì)算出極化偏角V驅(qū)動(dòng)移相器移相2V。載體的移動(dòng)過(guò)程中,極化控制器定時(shí)讀取載體的姿態(tài)信息,由式(2)計(jì)算極化源轉(zhuǎn)角γ,驅(qū)動(dòng)移相器移相2γ,讀傳感器的頻率可依據(jù)載體的行使環(huán)境靈活設(shè)置。在極化誤差角糾正的間隙由XPIC完成極化的微調(diào)。

4 結(jié) 語(yǔ)

極化匹配和跟蹤對(duì)于提高“動(dòng)中通”通信質(zhì)量具有重要意義。以“動(dòng)中通”接收天線的波束實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)為基礎(chǔ),分析極化匹配的原理、極化擾動(dòng)的來(lái)源,得到極化偏角和極化源轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式,設(shè)計(jì)了全電子的極化跟蹤網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊鳳梅.衛(wèi)星電視接收天線的極化匹配問(wèn)題探析[J].中國(guó)有線電視,2004(24):69-72.

[2]劉修文.衛(wèi)星數(shù)字電視直播接收技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3]陳振國(guó),楊鴻文,郭文彬.衛(wèi)星通信系統(tǒng)與技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2003.

[4]陳菊.衛(wèi)星天線極化向量的跟蹤定向分析[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2007(6):59-63.

[5]王衛(wèi)民.頻率復(fù)用通信系統(tǒng)中的交叉極化問(wèn)題[J].微波學(xué)報(bào),2005(4):157-159.

[6]畢清波,杜寶林,沈曉衛(wèi).“動(dòng)中通”天線極化軸穩(wěn)定性研究[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào),2007,37(2):89-92.

[7]楊寶苒.衛(wèi)星接收中線極化匹配的理論分析與調(diào)整方法[J].有線電視技術(shù),2001(21):27-30,80.

[8]余德育.衛(wèi)星電視接收的天饋系統(tǒng)和極化問(wèn)題[J].有線電視技術(shù),2002(11):53-57.

[9]潘建,劉博,毛二可.自適應(yīng)接收極化處理的方法及實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2004,26(1):53-55,61.