機械調整式極化跟蹤器

阮云國，鄧智勇，張 博

（中國電子科技集團公司第五十四所，河北石家莊050081）

0 引言

隨著衛星通信的廣泛應用，民用通信設備受到越來越多的關注，動中通天線就是其中的一種形式。特別是在應急通信中，該天線能在移動過程中快速對準衛星，以實現數據，圖像的高速傳輸。相比固定站天線具有很大的優勢[1，2]，但大多動中通天線工作于Ku頻段，該頻段衛星極化形式多為線極化，由于載體一直處于運動中，會造成波束的偏移與極化失配，產生極化損耗，影響數據傳輸的誤碼率和通信質量，因此如何實現天線系統中的實時極化調整成為一個關鍵問題[3－7]。

大部分動中通天線具有低剖面的特點，輻射器多采取平板陣列或柱面拋物面的形式，無論哪種形式，天線在方位面都具有較窄的波束寬度，無法通過旋轉天線的方式來調整極化。因此要有一個獨立的部件來實現極化跟蹤。現存的幾種形式主要以有源器件實現為主，應用在下行鏈路具有很好的效果，但在上行鏈路，存在一個問題，工作時需要在2個極化上分別使用一套移相組件和一臺功放，這樣不僅體積較大，而且成本較高。一般用戶無法接受。因此提出了一種機械式的極化調整方案，它是由輸入OMT（正交模耦合器），圓波導關節、輸出OMT（正交模耦合器）、L型關節以及輔助的maxon組合電機和驅動器構成。通過電機驅動波導關節實現上行極化調整，具有結構緊湊和可靠性高的特點。

1 極化跟蹤器原理分析

極化是天線的一個重要概念，定義為電場的矢量終端在一個周期內形成的軌跡。天線的極化形式有3種，分別是線極化、圓極化和橢圓極化。天線在能量傳輸過程中要保證極化匹配，即接收天線的極化方向應與電波的極化方向一致，此時接收天線能接收電波的全部能量。若接收天線的極化方向與電波的極化方向不一致，則為極化失配，存在一個極化角，只能接收部分能量，影響電磁波能量傳輸效率，因此天線在通訊過程中必須保證極化匹配。傳統天線的線極化匹配方式有旋轉天線或旋轉饋源喇叭等，但由低剖面天線結構限制，這2種方式都不可行，因此必須另辟蹊徑。

電磁場理論:任何一個線極化波都可以分解為一個水平極化波與一個垂直極化波，相反一個水平極化波與一個垂直極化波也可以合成一個任意極化角的線極化波[5，8－10]。假設天線與衛星的極化夾角為θ，電磁波信號矢量分解如圖1所示，這樣車載雙極化天線的水平極化部分ESH和垂直極化部分EPV都會收到衛星的下行水平極化波EP和垂直極化波ES。

圖1 電磁波信號矢量分解

其中天線水平極化部分主極化分量為:

交叉極化分量:

天線垂直極化部分主極化分量:

交叉極化分量:

利用電磁場矢量疊加特性，可以用相位相反的信號使ESH與EPV分別抵消，即去除了交叉極化分量，此時空間上瞬時合成后仍為線極化。

2 極化跟蹤器方案設計

按以上原理提出了一個極化跟蹤器方案，原理框圖如圖2所示。

圖2 極化跟蹤器系統設計框圖

極化跟蹤器系統前端是一個對稱形式的十字轉門OMT（正交模耦合器），2個輸入端口是對稱的，且具有相同的電長度;中間是圓波導關節，后端是一個輸出OMT。假設電磁波沿z軸傳播，如果電場矢量投影與傳播方向相垂直，則電場的分量如式（5）和式（6）所示。

由于平板天線所接收的是任意極化角的電磁波，天線的水平極化接收端和垂直極化接收端同時有電磁波能量進來，它們的相位相同，但幅度不同，當信號進入極化跟蹤器后，極化跟蹤器的2個輸入端口到輸出端口始終保持等電長度，此時圓波導關節帶動輸出OMT轉動時，就會找到一個與空間電磁波極化角相對應的位置，這時2個極化波進行了矢量合成，信號由OMT的輸出端口取出。

3 正交模耦合器設計

低剖面天線結構緊湊，因此在整個設計過程中，要使器件盡可能的小型化，以節省結構空間，來適應天線布局。由于該系統中，要保證正交極化信號等相位輸入，因此輸入正交模耦合器（OMT）結構必須是對稱的，常規的正交模耦合器以側臂耦合為主，無法保證等相位輸入，因此選用了一種十字轉門正交模耦合器，該種OMT結構緊湊，且是一種寬帶型器件，具有良好的的駐波特性，隔離特性與損耗特性[11，12]。這種正交器有一個圓波導輸入，4個矩形波導輸出，輸出波導是對稱的。相對的2個波導是同一極化，相鄰的2個波導極化正交。

正交模耦合器工作于Ku上行頻段，設計中要保證圓波導傳輸主模TE11模，矩形波導傳輸主模TE10模，這樣圓波導尺寸和矩形波導尺寸可以分別確定。矩形波導選擇標準的BJ140波導，圓波導選擇直徑為φ=5.8mm，然后是確定器件底部中心處的2個圓柱型臺階的直徑與高度。這個尺寸對器件的S參數有很大影響，需要精確設計。為此利用全波分析軟件HFSS建立模型，設定端口駐波和隔離度為優化目標，進行優化分析。最終得到了一個比較理想的計算結果，計算結果如圖3所示。

圖3 輸入正交模耦合器S參數

從結果可看出S11在全頻段小于－19dB，可以滿足應用要求。

4 極化跟蹤器調試與測試

雖然在設計過程中應用了計算機仿真，但由于加工誤差與計算誤差的客觀存在，必須給予整個部件調整措施，而關節與正交模耦合器是其中重要的調整器件。因為輸入OMT要保證等相位，但平板天線前端結構復雜，保證絕對的等電長度難度較大，因此要用一些波導墊片來修正天線前端所引進的相位差，同時正交器的2個短路塊也可以對系統的回波損耗有調整作用。

使用一臺標量網絡分析儀與BJ140波導定向耦合器組成測試系統，來進行了電氣性能測試。得到了整個工作頻段內的極化隔離特性與插入損耗特性，結果如圖4和圖5所示。

圖4 極化跟蹤器極化隔離測試結果

圖5 極化跟蹤器插入損耗測試結果

整個部件裝配調試好后，結構如圖6所示。從測試結果可以看出極化跟蹤器在整個使用頻段內插入損耗小于0.35dB，極化隔離大于30dB，這是一個非常理想的結果，可以很大程度上增加天線上行EIRP值，使其配置較小功率的功放成為可能。

圖6 機械式極化跟蹤器實物

5 結束語

根據極化波合成原理所設計的機械形式極化跟蹤器，在整個使用頻段內具有平坦的幅度響應，較高的極化隔離特性和和較低的插入損耗特性。顯示了良好的電氣性能指標，結構簡單，具有很高的可靠性，將在動中通天線進行了廣泛應用。

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