Ku波段衛星通信降雨的交叉極化研究

王蕾蕾，李 萍，安合志，張文輝

(1.武警工程大學研究生大隊，陜西西安 710086;2.武警工程大學通信工程系，陜西西安 710086)

隨著通信技術和空間技術的發展，衛星通信發展迅速，成為重要的信息傳輸載體。但頻譜分配日漸擁擠，對頻譜資源的開發越來越受到人們的重視。目前廣泛采用正交極化頻率復用方法即利用極化隔離，把相互正交極化的兩條信道安排在同一頻段上，使頻率利用率提高一倍。在這種情況下，兩種不同的極化要滿足一定的分辨率才能互不干擾。但由于各種原因，電波在傳播過程中，極化面可能發生旋轉，使相互正交的兩個極化波，到達接收點后不完全正交，就產生了交叉極化現象，引起兩條信道的相互干擾，發生串音，大幅影響了通信系統的質量和可靠性。在微波通信中，降雨是引起電波交叉極化的主要原因之一。所以，研究降雨引起的交叉極化效應有著重要的意義。

1 交叉極化的產生機理

當雨滴較大時，其外形一般為扁平的橢球體，在下落過程中，由于風等因素的影響，偏離波的傳播方向，產生一定的傾斜角度θ，引起交叉極化。如圖1所示，電波沿雨滴長軸和短軸的衰減各不相同，于是產生差分衰減

式中，α2與α1分別表示電波沿x軸和y軸傳播的衰減值，其中α2＞α1。同時電波沿雨滴x軸和y軸的相移也不一樣，產生差分相移

式中，β1與β2分別表示電波沿雨滴y軸和x軸傳播時的相移［1］。

令電波傳播方向與雨滴長軸之間的夾角為α。當α=0°即線極化波沿雨滴的長軸方向傳播時，電場的極化方向在雨滴的圓形橫截面內，電波通過雨滴雖其振幅和相位都有變化，但其極化狀態保持不變。而當電波以α=90°方向入射到雨滴上時，電場E1在平行和垂直于雨滴長軸方向上的兩個分量，會有不同程度的衰減和相移，分別稱為差分衰減和差分相移，使得波的極化狀態發生偏轉，引起交叉極化現象。顯然交叉極化的程度與α有關，當α=90°時交叉極化現象最嚴重［2］。如圖1所示，是入射波電場，它在雨滴長軸和短軸方向上的兩個分量受到雨滴的作用而發生不同的衰減和相移，ER為經雨滴作用后的場量，其分量E11為主極化分量，E12為交叉極化分量。

這種現象對單極化傳輸系統影響并不大，但對于正交極化復用的雙極化傳輸系統，會造成極化隔離度降低，導致正交極化的信號互相干擾加大交叉極化現象，對線極化和圓極化都有影響。

圖1 雨滴的去極化作用(α=90°的情況)

通常使用交叉極化分辨率XPD或是交叉極化隔離度XPI來描述線極化波的去極化程度，定義為

2 交叉極化的預報模式

目前應用廣泛的ITU－R交叉極化衰減預報模式是基于一階小變量近似導出的

式中，CA=V(f)lgAp，p為年平均時間概率，年平均時間概率的含義是在一年中p%的時間內XPD不超過XPD(p%);Ap為p%時間概率上雨衰減量，其中0.01%時間概率雨衰減:A0.01=γRLE，特征衰減:γR=k(R0.01)α

Cice=XPDrain×(0.3+0.1lgp)/2為冰晶體產生的去極化衰減;Cf=30lgf為頻率因子;Cτ=－10lg{1－0.484［1+cos4τ］}為線極化改善因子，其中 τ為極化面傾角即電波與水平面夾角，τ在0°～45°范圍內，Cr從15 dB逐漸遞減為0，即XPD減小，極化干擾逐漸增大;τ在45°～90°范圍內，XPD逐漸增大，極化干擾逐漸減小;Cθ=－40lg(cosθ)為地理增益因子;θ為地球站對衛星的仰角，仰角越大，XPD也越大，極化干擾越小;Cσ=0.005 2σ2為雨滴傾角因子，σ為雨滴傾角的方差(Degrees);σ越大，XPD就越大，極化干擾越小。對應1%，0.1%，0.01%和0.001%時間概率，ITU －R 給出 σ 取值分別為 0°，5°，10°和 15°，考慮到數據庫中其他概率點的數據以及實際工作的需要，根據ITU－R所給數據，擬合了σ與p的函數關系

其中，R表示降雨率;R0.01表示當地平均年0.01%時間概率點降雨率;hs表示地球站海拔高度;LE為雨頂的有效路徑長度;hR表示雨頂高度;θ表示仰角;φ表示地球站緯度;f表示頻率;Re表示地球等效半徑。

3 極化衰減的計算

利用定點于134°E亞太6號Ku波段衛星參數，結合廣州、南京、長春、西安等城市的降雨數據進行極化衰減量的分析計算，得到了在f=12 GHz時各站點不同極化0.01%時間降雨率時的衰減量。結果計算如表1所示。

4 極化補償網絡

為補償交叉極化引起的衰減，可以通過采用極化補償系統彌補。采用兩種方法［5］如圖2所示，圖中OMT為正交模變換器。

在組合A中，90°極化器可以使入射電場中的兩個相互正交分量之一產生微分相移，從而產生線極化波，然后用180°極化器旋轉該線極化波，得到原來方向上的線極化波。在組合中，第一塊極化器將入射的橢圓極化波進行90°移相，變成另一橢圓極化波，變換后的橢圓極化波經過第二塊極化器進行90°移相后，即成為原來方向上的線極化波。這兩種方法都可以把交叉極化鑒別率約由20 dB補償到約30 dB。

表1 時典型站點不同極化下的衰減量

圖2 極化補償網絡

5 結束語

從以上分析可知，在Ku波段降雨引起的交叉極化衰減現象嚴重，因此，必須在廣泛研究分集技術、自適應補償、功率控制法、碼速率自適應法、智能天線等新技術基礎上建立精度更高、操作更簡便的預報模型［6］，為Ku波段衛星抗惡劣氣象環境的技術研究及硬件設計提供良好的傳輸參數。

［1］閻毅，黃際英.雙極化頻率復用信道交叉極化效應的預測方法［J］.煙臺大學學報，1994(12):133－137.

［2］周朝棟，王元坤，楊恩耀.天線與電波［M］.西安:電子科技大學出版社，1994.

［3］王衛民.頻率復用通信系統中的交叉極化問題［J］.微波學報，2005(21):157 －159.

［4］Recommendation.Propagation data and prediction methods required for the design of Earth－space telecommunication systems［S］.USA:Recommendation ITU －R P.618 －9，2007.

［5］張世宏.降雨對衛星電視信號的影響及其補償［J］.山東電子，1988(3):32－33.

［6］黃際英，陳新蓮，唐映德，等.Ka波段降雨衰減與去極化效應［J］.西安電子科技大學學報，2002，28(12):733－736.