天線罩去極化效應及其補償

田海南，賈維敏，楊慧杰

(第二炮兵工程學院, 陜西 西安 710025)

0 引言

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

1 天線罩去極化效應原理

天線罩去極化效應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成的平面。天線罩去極化效應的產生，是因為天線罩對ETE極化分量和ETM極化分量的透射系數不同[8]，導致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不同，即產生了去極化效應。

2 天線罩去極化效應計算

以采用電子變極化方式發射線極化波的某動中通發射系統為例，如圖1所示。系統由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射電路

當發射信號從Tx端口進入后，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立受可變衰減器和可變移相器控制。信號EL和ER經由高功率放大器(HPA)增強并且經由另一3 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，實現極化角的調整。

設可變衰減器和可變移相器分別差分設置為A、1/A和?φ、+φ，在天線坐標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系

根據以上關系，可將入射在天線罩上的一般場Ex和Ey轉換成天線罩入射面坐標ETE和ETM：

設天線罩對ETE分量和ETM分量的傳輸系數分別為τTE和τTM(因為要包含對相位的影響，故τTE和τTM均為復數形式)，τTE和τTM乘以天線罩投射場分量ETE和ETM，產生天線罩遠側的場分量和：

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是天線罩復數傳輸系數，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計算結果仿照以上過程可得。

3 天線罩去極化效應補償

由式(1)、式(2)與式(11)可知，天線罩導致的去極化效應主要由天線罩傳輸系數τTE和τTM、電磁波入射面以及希望的極化角決定。當天線罩確定后，測量天線罩傳輸系數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關系，由式(1)、式(2)與式(11)聯立即可得到根據移相器和衰減器設置(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，得到補償天線罩去極化效應后移相器和衰減器所應設置值的大小。

在發射時實時解算天線罩去極化效應補償數據將會增加處理器的運算量，為避免這一現象的發生，可在得出天線罩去極化校正數據后，存儲于寄存器待用，處理器只需以預定速率(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據存儲器取得天線罩去極化偏移值，通過內插值計算得出所應設置的可變衰減器和可變移相器的值，并通過加合器與衛星跟蹤單元的輸出線性疊加，結果輸入控制單元，通過控制單元實現整個電路的極化控制。

4 結語

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

圖4φ和A取不同值時系統的XPD

由圖4可知，不存在天線罩時，該電子變極化發射系統的XPD最高為57.89 dB，覆蓋天線罩后若不進行衰減器和移相器調整，則系統的XPD降低至45.3 dB，較原先降低了約12.5 dB。進行天線罩去極化效應補償后，系統的XPD最大值為50.58 dB，較未補償時提高了約5 dB。可知，進行天線罩去極化效應補償后，有效地提高了通信系統的XPD和極化匹配精度。

以上仿真結果是在忽略系統誤差以及元器件精度影響的條件下得出的，實際中的電子變極化發射系統 XPD一般達不到57.89 dB，因此更加有必要進行天線罩去極化效應的補償，以提高系統的XPD。依據上述原理進行天線罩去極化效應補償后配置的天線系統，具有基本上純粹線性極化的信號，可以高XPD發射。

[1] 沈曉衛，姚敏立，林志強，等.“動中通”變極化系統研究[J].通信技術，2007，40(09):5-7.

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