衛(wèi)星通信站極化隔離度下降的排查及解決方法

周陽輝,羅黎希,羅 巖

(中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇 江陰 214431)

1 引 言

接收支路交叉極化隔離度是衛(wèi)星通信站(以下簡稱衛(wèi)通站)重要指標(biāo)之一,如果接收交叉極化隔離度降低,一旦接收的同頻信號(hào)中出現(xiàn)反極化信號(hào),會(huì)對(duì)衛(wèi)通站的主用載波形成干擾,影響正常通信。而且移動(dòng)地球站在跟蹤線極化衛(wèi)星時(shí),由于地理位置的變化,極化方向會(huì)隨之改變,天線的極化面也在自動(dòng)調(diào)整。一旦極化失配會(huì)導(dǎo)致和差信號(hào)的增益變化,從而影響交叉耦合性能,引起天線失鎖[1]。

某衛(wèi)通站饋源網(wǎng)絡(luò)中線圓轉(zhuǎn)換裝置與天線A極化輸出口方向的夾角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-45°～0°,A、B極化信號(hào)的分路通過收右旋、收左旋兩信號(hào)通道引出實(shí)現(xiàn)。2011年11月,崗位人員對(duì)衛(wèi)通站接收支路交叉極化隔離度進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)線極化、圓極化狀態(tài)下極化隔離度均只有16 dB左右,不滿足指標(biāo)要求且相差較大,隨即對(duì)接收極化隔離度降低的原因進(jìn)行排查解決。

2 極化隔離度的定義

極化隔離度就是有用的主極化信號(hào)和無用的反極化信號(hào)功率之比:

式中,P1為主極化信號(hào)功率,P2為反極化信號(hào)功率。

如果用對(duì)數(shù)方式表達(dá)即為

或者

式中,L1為主極化信號(hào)功率電平,L2為反極化信號(hào)功率電平。

對(duì)于橢圓極化波來說極化隔離度與橢圓軸比之間的關(guān)系是

其中,V為橢圓軸比(VAR)。國際衛(wèi)星組織INTELSAT規(guī)定,對(duì)于工作在圓極化方式的地球站天線:老天線,在天線跟蹤波束帶寬內(nèi),其天線發(fā)射VAR不能超過1.09,相應(yīng)交叉極化隔離度為27.3 dB;新天線,在天線跟蹤波束帶寬內(nèi),其天線發(fā)射VAR不能超過1.06,相應(yīng)的交叉極化隔離度為30.7 dB。對(duì)于工作在線極化方式的天線,交叉極化隔離度為30.0 dB。天線接收交叉極化隔離度的指標(biāo)要求參照天線發(fā)射交叉極化隔離度指標(biāo)[2]。

3 排查過程

影響衛(wèi)通站接收支路交叉極化隔離度的可能因素包括接收下行支路存在串?dāng)_、線圓極化轉(zhuǎn)換不到位、極化角不匹配等。

接收下行支路存在串?dāng)_,主要是微波器件的自身問題,需要找到串?dāng)_器件進(jìn)行更換。本文的排查重點(diǎn)放在線圓轉(zhuǎn)換極化器和極化角方面。一般而言,線圓轉(zhuǎn)換極化器和極化面屬于天線饋源網(wǎng)絡(luò)部分,廠所安裝時(shí)都是在地面調(diào)試完畢后整體吊裝。長時(shí)間使用后,由于天線震動(dòng)、器件老化、吊裝偏移等原因?qū)е赂綦x度下降,必須由廠家對(duì)天線進(jìn)行吊裝拆解,重新調(diào)整標(biāo)定線圓轉(zhuǎn)換極化器和極化面的位置。所以通信任務(wù)中出現(xiàn)反極化干擾時(shí),大多通過臨時(shí)更換頻點(diǎn)應(yīng)急通信,協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)器資源難度大且成本高。

崗位人員通過理論和實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合,推導(dǎo)出線圓轉(zhuǎn)換極化器和極化面偏差的理論值,利用簡易的方法進(jìn)行了偏差糾正,最后經(jīng)過測試,證實(shí)了方法的可行性,達(dá)到了提高極化隔離度的目標(biāo)。

3.1 線圓極化轉(zhuǎn)換偏差的理論影響

設(shè)線圓轉(zhuǎn)換裝置偏離位置的角度絕對(duì)值為 θ,由公式(1)、(2)可以推出A、B信號(hào)衰減強(qiáng)度與 θ近似關(guān)系為

由公式(4)、(5)可以知道圓極化測試中,線圓極化轉(zhuǎn)換對(duì)A、B通道信號(hào)影響如圖1所示[3](根據(jù)公式,使用MATLAB軟件繪制)。

圖中,橫坐標(biāo)為線圓轉(zhuǎn)換裝置與天線A極化輸出口方向的夾角,縱坐標(biāo)對(duì)于A、B為信號(hào)衰減強(qiáng)度。右圓極化應(yīng)該對(duì)應(yīng)-45°夾角,即圖中A極化信號(hào)最大、B極化信號(hào)最小的位置。0°夾角對(duì)應(yīng)天線的水平線極化狀態(tài)(圓極化信號(hào)下降3 dB),左圓極化應(yīng)該對(duì)應(yīng)+45°夾角,即圖中B極化信號(hào)最大、A極化信號(hào)最小的位置。

3.2 極化角偏差的理論影響

設(shè)極化角偏離角度的絕對(duì)值為 θ,由公式(1)、(2)可以推出A、B線極化信號(hào)衰減強(qiáng)度與θ關(guān)系為

由公式(6)、(7)可以知道線極化測試中,極化角變化對(duì)A、B通道信號(hào)影響如圖2所示[4](根據(jù)公式,使用MATLAB軟件繪制)。

圖2 線極化測試中極化角變化對(duì)A、B通道信號(hào)的影響Fig.2 The influence of polarization angle variation on channel A and B

圖中,橫坐標(biāo)為極化角,縱坐標(biāo)對(duì)于A、B為信號(hào)衰減強(qiáng)度。A極化信號(hào)的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)衛(wèi)通站所在地理位置的極化角-49.08°,此時(shí)B極化信號(hào)理論值為0。

3.3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

主要方法:崗位人員利用衛(wèi)通天線跟蹤183°E圓極化衛(wèi)星(A極化)和134°E線極化(A極化)衛(wèi)星,跟蹤正常后,轉(zhuǎn)動(dòng)線圓轉(zhuǎn)換器和極化角,測試信標(biāo)的變化情況。

3.3.1 圓極化衛(wèi)星測試數(shù)據(jù)分析

衛(wèi)通天線對(duì)準(zhǔn)183°E圓極化衛(wèi)星,測試A、B通道接收右旋極化信標(biāo)(3 951.5MHz)功率,測試結(jié)果見表1(已經(jīng)考慮A、B通道差)。

表1 圓極化星極化隔離度測試記錄表Table 1 Test record of polarization isolation for circular polarization satellite

結(jié)果分析:天線在圓極化A狀態(tài)下,由于衛(wèi)星信標(biāo)為右旋圓極化信標(biāo),B通道應(yīng)該對(duì)此信號(hào)完全隔離,但在B通道上能觀察到一定強(qiáng)度(-67 dBm)信號(hào),即可斷定線圓轉(zhuǎn)換裝置位置存在偏差。極化角對(duì)圓極化信號(hào)理論上沒有影響,極化角由0°轉(zhuǎn)到90°時(shí),A、B極化信號(hào)無變化。

通過圖1對(duì)圓極化偏差角度進(jìn)行定量的理論推導(dǎo)。圖中,理論上圓極化A應(yīng)該對(duì)應(yīng) -45°夾角,即圖中A極化信號(hào)最大,B極化信號(hào)最小的位置。由于天線在由“圓極化”轉(zhuǎn)換到“線極化”狀態(tài)過程中(即夾角由-45°※0°),A極化信號(hào)前期不變化(斜率小,頻譜儀無法分辨),后期一直減小,B極化信號(hào)先降低后增加,對(duì)比圖1,說明天線“圓極化”狀態(tài)不是對(duì)應(yīng)夾角-45°,而向負(fù)方向發(fā)生了偏移。0°夾角對(duì)應(yīng)天線的線極化狀態(tài),此時(shí),A、B通道都能收到與最大信號(hào)值相差3dB的信號(hào)。分析可得

設(shè)圓極化器位置偏離角度絕對(duì)值 θ,由于角度偏離引起的B信號(hào)衰減強(qiáng)度為

由公式(5)可知

解之可得

所以衛(wèi)通站“圓極化”狀態(tài)對(duì)應(yīng)夾角為-56°,與理論值-45°偏差了-11°。直接從圖1可以讀出14 dB對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)數(shù)值也為-56°左右,圖1和公式推理可以相互佐證。

3.3.2 線極化衛(wèi)星測試數(shù)據(jù)分析

衛(wèi)通天線對(duì)準(zhǔn)134°E線極化衛(wèi)星,地球站地理位置線極化角的理論值為-49.08°。分別測試A極化(水平)和B極化(垂直)通道接收水平極化信標(biāo)(4 199.825 MHz)電平,測試結(jié)果見表2。

表2 線極化星極化隔離度測試記錄表Table 2 Test record of polarization isolation for linear polarization satellite

理論極化角為-49.08°,若天線實(shí)際極化角與理論極化角相同,則在B通道上接收到的水平信標(biāo)信號(hào)應(yīng)該基本淹沒在底噪中。但天線極化角顯示為-49.08°時(shí),在B通道信號(hào)-69 dBm,說明存在兩種可能性:其一,線極化狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)存在偏差;其二,極化角與實(shí)際值存在偏差。

測試圓極化信號(hào)時(shí),轉(zhuǎn)到線極化狀態(tài),收?qǐng)A極化A信號(hào)下降了3 dB,符合理論值,說明線極化的位置沒有太大偏差。而且如果線極化位置有誤,無論如何轉(zhuǎn)動(dòng)極化角,都不能出現(xiàn)A、B極化信號(hào)降到底噪的情況。極化角的偏差是導(dǎo)致線極化信號(hào)隔離度差的主要原因。

手動(dòng)順轉(zhuǎn)極化角,當(dāng)極化角顯示-39.68°時(shí),觀察到B極化信號(hào)降到底噪。隨后極化角繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)開始抬升,當(dāng)極化角轉(zhuǎn)動(dòng)到顯示值為51°時(shí),A極化信號(hào)降到底噪,B極化信號(hào)達(dá)到最高點(diǎn),與先前B極化信號(hào)最低點(diǎn)(顯示值-39.68°)正好相差約 90°,再一次驗(yàn)證了剛才的推斷。天線極化角顯示值與實(shí)際值相差約-9.4°。

下面通過圖2對(duì)極化角偏差角度進(jìn)行定量的理論推導(dǎo)。

由測試結(jié)果可知

那么設(shè)極化角位置偏離角度絕對(duì)值為 θ,由于角度偏離引起的B信號(hào)衰減強(qiáng)度為

由公式(7)可知

解之可得

忽略天線角度旋變等系統(tǒng)誤差,實(shí)測值和公式推導(dǎo)值基本一致,再次驗(yàn)證了極化角存在偏差的事實(shí)。同樣在圖2中,直接讀取橫坐標(biāo)為-39.68°的B極化衰減信號(hào)強(qiáng)度也為15 dB左右。

4 解決方法

4.1 線圓極化器調(diào)整

根據(jù)上面的理論推導(dǎo),采用在接觸銅條上加裝撞塊的方法調(diào)整圓極化器位置達(dá)到糾正收?qǐng)A開關(guān)偏差的目的,主要步驟如下:

(1)衛(wèi)通跟蹤183°E右旋圓極化衛(wèi)星信標(biāo);

(2)將和差網(wǎng)絡(luò)合路器輸出A通道信標(biāo)信號(hào)接入頻譜儀,頻譜儀分辨帶寬設(shè)置為300 Hz,記錄A通道信標(biāo)信號(hào)的峰值和底噪;

(3)將低噪聲放大器2#輸出的B通道信號(hào)接入頻譜儀,保持頻譜儀設(shè)置不變,記錄B通道內(nèi)A極化信標(biāo)信號(hào)的峰值和底噪;

(4)由收?qǐng)A※收線轉(zhuǎn)動(dòng)圓極化器,當(dāng)B通道內(nèi)A極化信標(biāo)信號(hào)達(dá)到最小值時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng),記錄B通道信標(biāo)信號(hào)的峰值和底噪,記錄接觸銅條的位置,根據(jù)此位置測量加工撞塊的尺寸;

(5)在接觸銅條上加裝撞塊,使得撞塊與限位開關(guān)緊密接觸并使圓極化狀態(tài)指示燈點(diǎn)亮;

(6)計(jì)算接收?qǐng)A極化信號(hào)交叉極化隔離度,完成圓極化器的調(diào)整工作。

圓極化器調(diào)整前后測試結(jié)果見表3。調(diào)整后接收?qǐng)A極化信號(hào)交叉極化隔離度為28 dB,提高了12 dB。

表3 調(diào)整前后的A、B信號(hào)記錄Table 3 Test record of A and B signal before and after installation

4.2 極化面調(diào)整方法

根據(jù)上面的理論推導(dǎo),采用調(diào)整旋變零位的方法調(diào)整極化面以達(dá)到糾正極化角偏差的目的。主要步驟如下:

(1)衛(wèi)通跟蹤134°E衛(wèi)星水平極化信標(biāo),記錄極化角的顯示值θ;

(2)將和差網(wǎng)絡(luò)合路器輸出A通道信標(biāo)信號(hào)接入頻譜儀,頻譜儀分辨帶寬設(shè)置為300 Hz,記錄信標(biāo)信號(hào)的峰值和底噪;

(3)將低噪聲放大器2#輸出的B通道信號(hào)接入頻譜儀,保持頻譜儀的設(shè)置不變,記錄B通道A極化信標(biāo)信號(hào)的峰值和底噪;

(4)轉(zhuǎn)動(dòng)極化面,當(dāng)B通道信標(biāo)信號(hào)達(dá)到最小值時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng),記錄信標(biāo)信號(hào)的峰值和底噪,記錄此時(shí)極化角的顯示值β;

(5)調(diào)整旋變位置,使得極化角的顯示值 β轉(zhuǎn)變?yōu)棣?

(6)計(jì)算線極化狀態(tài)下接收信號(hào)交叉極化隔離度,完成極化面的調(diào)整。

極化面調(diào)整前后測試結(jié)果記錄見表4。調(diào)整后接收線極化信號(hào)交叉極化隔離度為29 dB,提高了13 dB。

表4 調(diào)整前后的A、B信號(hào)記錄Table 3 Test record of A and B signal before and after installation

5 結(jié) 論

極化失配問題大多數(shù)由極化面和線圓極化器位置偏差引起,這一問題的產(chǎn)生主要原因有設(shè)備安裝調(diào)試偏差、震動(dòng)導(dǎo)致偏差、波導(dǎo)傳導(dǎo)特性變化等[5]。相關(guān)的文獻(xiàn)中沒有如何調(diào)整的敘述,崗位人員沒有相關(guān)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本次排查中,崗位人員按照先排查線圓極化位置后排查極化面角度的順序進(jìn)行,排除交叉干擾;通過公式和圖形的結(jié)合,迅速判斷出角度偏離的方向(正負(fù))和大小,最后利用調(diào)整旋變和限位開關(guān)位置的方法進(jìn)行解決。該方法簡便易行、原理清晰,可以作為排查該類型問題的標(biāo)準(zhǔn)參考。但是對(duì)于其他原因引起的極化失配問題,本文沒有涉及,仍然需要進(jìn)一步深入研究。

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