船載衛(wèi)通站跟蹤與通信極化分離設(shè)計

周建鋒+白勇博+黃昆

摘 要： 大口徑船載衛(wèi)通站一般采用單脈沖跟蹤方式，需要高次模耦合出的差信號與通信網(wǎng)絡(luò)輸出的和信號經(jīng)和差網(wǎng)絡(luò)合成后輸出誤差信號用作解調(diào)跟蹤。這種方式要求通信與跟蹤極化方式需相同，限制了衛(wèi)通站的使用，分析了饋源網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)以及單脈沖跟蹤的工作原理，提出通信低噪采用2∶1低噪冗余控制系統(tǒng)代替1∶1冗余控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)通信極化與跟蹤極化的分離，從而實(shí)現(xiàn)固定跟蹤A極化信標(biāo)，通信根據(jù)需要靈活選擇A極化或B極化轉(zhuǎn)發(fā)器，提高了船載衛(wèi)通站使用的靈活性。

關(guān)鍵詞： 極化分離； 單脈沖； 低噪聲放大器； 船載衛(wèi)通站

中圖分類號： TN927?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0055?03

Design of tracking and communication polarization separation device

in shipborne satellite communication station

ZHOU Jian?feng， BAI Yong?bo， HUANG Kun

（China Satellite Maritime Tracking and Control Department， Jiangyin 214431， China）

Abstract： The monopluse tracking mode is usually adopted in large?aperture shipborne satellite communication station. The output error signal is composed of the difference signals coupled with high?order mode and the sum signals from communication network through sum?difference network synthesis for demodulating and tracking. This mode required same tracking polarization and communication polarization， so it limits the application of satellite communication station. The basic structure of feed source network and the working principle of monopluse tracking are analyzed in this paper. The 2：1 low?noise redundancy control system was adopted instead of 1：1 low?noise redundancy control system. It can realize the tracking and communication polarization separation， and can track the A polarization beacon. The flexibility of shipborne satellite communication station was improved by flexible selection of A or B polarization transponder.

Keywords： polarization separation； monopulse； low noise amplifier； shipborne satellite communication station

0 引 言

現(xiàn)代通信衛(wèi)星為了提高頻譜利用率，一般均采取了極化頻譜復(fù)用技術(shù)，即通信衛(wèi)星可以在兩個信道采用同一頻率而互不干擾地傳輸兩組獨(dú)立的信息，兩組信道在極化方式上不相同，可以避免互相干擾。電波的極化有兩種類型，電場矢量在直線方向來回振蕩的電磁波稱為線極化波，固定振幅的電場矢量作圓周旋轉(zhuǎn)的電磁波稱為圓極化波，其中線極化波根據(jù)矢量直線運(yùn)動方向又區(qū)分為垂直極化和水平極化，而圓極化波根據(jù)兩個分量的相位關(guān)系又區(qū)分為左旋圓極化和右旋圓極化[1]。

衛(wèi)星通信中一般發(fā)射和接收極化方式不相同，例如發(fā)射極化為垂直極化，則接收極化一般為水平極化，而通信衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器通常都具有A、B兩種極化方式，所謂A極化，對于線極化衛(wèi)星而言，是指發(fā)射水平極化接收垂直極化，對于圓極化衛(wèi)星而言，是指發(fā)射右旋極化接收左旋極化；所謂B極化，對于線極化衛(wèi)星而言，是指發(fā)射垂直極化接收水平極化，對于圓極化衛(wèi)星而言，是指發(fā)射左旋極化接收右旋極化，用于跟蹤的衛(wèi)星信標(biāo)信號也有兩種極化方式。相應(yīng)的衛(wèi)星通信地球站的定義則相反。

在某船載衛(wèi)通站中，為了適應(yīng)與不同衛(wèi)星通信的需要，天線具有雙線雙圓極化方式，可以根據(jù)需要靈活選擇，但是由于船載衛(wèi)通站在運(yùn)動載體上工作，其對跟蹤精度有著較高的要求，一般大口徑天線均采用單脈沖跟蹤方式，而單脈沖跟蹤方式需要在靜態(tài)環(huán)境下對跟蹤接收機(jī)的相位進(jìn)行校準(zhǔn)，且同時只能對一種極化方式進(jìn)行校相，一旦需要在海上從A極化方式切換為B極化方式工作時，就需要重新校相，但在動態(tài)條件下校相，目前還存在一定的困難，這樣就給海上通信帶來風(fēng)險，本文分析船載衛(wèi)通站跟蹤的基本原理和饋源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)組成，提出一種將跟蹤極化與通信極化方式分離的方法，可以提高系統(tǒng)工作的靈活性。

1 基本結(jié)構(gòu)與原理

某船載衛(wèi)通站采用雙線雙圓極化方式，采用單通道單脈沖跟蹤方式，其饋源網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)由TE21模耦合器、差模合成網(wǎng)絡(luò)以及頻譜復(fù)用網(wǎng)絡(luò)組成，差模耦合器由2個正交的TE21模分耦合器組成，4根耦合臂Ⅰ和4根耦合臂Ⅱ組成2個在極化上正交的TE21模分耦合器，分別輸出左旋極化信號和右旋極化信號，該信號稱為差信號，經(jīng)低噪聲放大器（該低噪稱為跟蹤低噪，也稱差低噪）放大后送入和差網(wǎng)絡(luò)。

在頻譜復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中，主要包括收發(fā)線圓轉(zhuǎn)換器、極化面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、正交模變換器以及雙工器等器件，其主要作用是進(jìn)行線圓轉(zhuǎn)換、極化角轉(zhuǎn)換以及收發(fā)信號的隔離。網(wǎng)絡(luò)可以同時輸出兩種極化方式的信號，對于發(fā)送端口而言，其接收來自高功率放大器的信號，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后通過天線將上行信號發(fā)送至衛(wèi)星，對于接收端口而言，其信號從網(wǎng)絡(luò)輸出后經(jīng)低噪聲放大器（該低噪稱為通信低噪，也稱和低噪）放大后，送入和差網(wǎng)絡(luò)與差信號進(jìn)行合成后，耦合成一路跟蹤信號送跟蹤接收機(jī)，一路下行通信信號送下變頻器等設(shè)備進(jìn)行通信。

跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)主要作用是將天線饋源網(wǎng)絡(luò)中生成的方位誤差信號和俯仰誤差信號對和信號進(jìn)行歸一化并轉(zhuǎn)換成直流信號，此信號送到天線伺服系統(tǒng)，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動天線朝誤差減小的方向運(yùn)動，從而確保天線始終對準(zhǔn)衛(wèi)星。

跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)包括低噪放大器、和差網(wǎng)絡(luò)和跟蹤接收機(jī)，其中和差網(wǎng)絡(luò)安裝在天線上，其功能是完成和差信號的單通道合成。差低噪輸出的信號經(jīng)過隔離器后由0～π調(diào)制器調(diào)制為抑制載波的差信號，在合成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)與和信號合成一路跟蹤信號送到接收機(jī)。和低噪輸出的信號在合成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)耦合出一路作為跟蹤信號與誤差信號合成單通道，主信號經(jīng)過隔離后輸出至下變頻器用于通信[2]。跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

2 存在問題

在工程實(shí)際中，為了提高系統(tǒng)可靠性，跟蹤低噪和通信低噪均采用1∶1熱備份方式工作，通過低噪控制器選擇一路低噪工作，而低噪信號輸入端一般固定接入在某一極化方式的端口上，例如，一般情況下，通信使用A極化信號，則和信號與差信號都接入右旋極化端口，這樣跟蹤A極化信標(biāo)，通信使用A極化轉(zhuǎn)發(fā)器，由于采用單脈沖跟蹤方式，在使用前需在碼頭靜態(tài)條件下進(jìn)行校相。系統(tǒng)連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 1∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)連接示意圖

但是這種連接方式存在的問題是使用不靈活，通信與跟蹤的極化方式必須相同，也就是說輸入和差網(wǎng)絡(luò)的兩路信號極化方式必須相同，因?yàn)橥ㄐ诺驮胼敵龅男盘栃杷腿牒铣删W(wǎng)絡(luò)耦合出兩路信號分別用于跟蹤和通信，當(dāng)需要從A極化轉(zhuǎn)發(fā)器更換為B極化轉(zhuǎn)發(fā)器時，就必須要更換天線上的線纜，將跟蹤低噪和通信低噪的輸入信號從右旋極化端口更換為左旋極化端口，更換電纜后，由于電纜接口緊固程度不相同，會導(dǎo)致和差通道相位發(fā)生變化，必須要重新進(jìn)行校相，這樣就限制了B極化轉(zhuǎn)發(fā)器的使用范圍，即要進(jìn)行A/B極化方式切換，必須要在碼頭靜態(tài)條件下進(jìn)行，否則無法進(jìn)行跟蹤，但在實(shí)際工作中，由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源有限，經(jīng)常會出現(xiàn)A極化轉(zhuǎn)發(fā)器難以租用的情況，需在動態(tài)環(huán)境下切換到B極化方式工作，但由于無法進(jìn)行靜態(tài)的校相，更換為B極化后天線無法跟蹤衛(wèi)星，從而無法使用，這樣就給船舶通信帶來困難。

3 優(yōu)化設(shè)計

從A極化通信方式改為B極化通信方式，對于上行鏈路而言，只需要對高功率放大器輸出的信號進(jìn)行切換即可，不存在限制，但對下行鏈路而言，現(xiàn)有的連接方式要求通信與跟蹤極化方式必須相同，需要更換和差通道線纜，從而導(dǎo)致更換B極化后需要重新校相，限制了B極化轉(zhuǎn)發(fā)器的使用。因此，為了解決該問題，可以考慮將通信與跟蹤極化方式分離，即允許跟蹤和通信采用不同的極化，這樣會避免更換通信極化方式后對跟蹤方式的影響。當(dāng)跟蹤與通信均采用A極化時，仍采用現(xiàn)有連接關(guān)系不變，當(dāng)需要B極化通信時，跟蹤仍采用A極化方式，但通信使用B極化方式，即采用A極化跟蹤B極化通信方式工作，其連接關(guān)系如圖4所示。

圖4 2∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)示意圖

與原有系統(tǒng)相比，跟蹤低噪仍采用1∶1系統(tǒng)，但通信低噪改用2∶1系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡(luò)兩個極化的信號均輸入到低噪中，輸出兩路極化信號分別至和差網(wǎng)絡(luò)和下變頻器設(shè)備，在這種方式下，跟蹤接收機(jī)可以固定跟蹤A極化信標(biāo)，而通信設(shè)備則可根據(jù)需要采用A極化或B極化方式通信，若采用A極化方式，則采用和差網(wǎng)絡(luò)輸出的下行信號接入下變頻器，若使用B極化方式，則采用通信低噪直接輸出至下邊頻器的信號，切換時只需要更換下行線纜即可，無需重新校相，可以大大提高衛(wèi)通站使用的靈活性。采用2∶1系統(tǒng)后，備份的低噪同時作為在線兩路低噪的備份，任意一路低噪故障時可以切換到備用低噪工作，可以提高系統(tǒng)可靠性。

要實(shí)現(xiàn)跟蹤與通信極化的分離，除了使用2∶1冗余低噪系統(tǒng)外，還可以采用兩套1∶1冗余低噪系統(tǒng)，即跟蹤使用一套1∶1冗余低噪系統(tǒng)，通信采用兩套1∶1冗余低噪系統(tǒng)，采用這種方式后系統(tǒng)可靠性更高，通信所使用的A極化信號與B極化信號是完全獨(dú)立的，但是這種方式帶來的問題是安裝所需要的空間較大，由于船載衛(wèi)通站為了實(shí)現(xiàn)全過頂無盲區(qū)跟蹤，一般采用A?E?C三軸結(jié)構(gòu)，其高頻箱尺寸相對較小，通信網(wǎng)絡(luò)及低噪放大器均安裝于高頻箱內(nèi)，低噪放大器由于采用波導(dǎo)連接且中間有轉(zhuǎn)換關(guān)節(jié)，因此尺寸較大，對安裝空間有一定的要求，而采用2∶1系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其安裝尺寸與1∶1系統(tǒng)相比增加不多，但是可實(shí)現(xiàn)兩路極化信號的輸入，可能的影響是A、B兩路極化信號之間相互干擾對通信帶來影響，下面對該問題進(jìn)行分析。

A、B極化信號之間相互干擾帶來的影響就是對交叉極化隔離度指標(biāo)的影響，船載衛(wèi)通站交叉極化隔離度的指標(biāo)要求一般為大于30 dB，采用2∶1系統(tǒng)時，A極化信號和B極化信號分別采用不同的波導(dǎo)倒換開關(guān)輸入輸出，而普通射頻倒換開關(guān)的隔離度可以達(dá)到大于40 dB，可以滿足極化隔離度的要求。因此，采用2∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)可以滿足使用要求。

4 結(jié) 語

船載衛(wèi)通站相比一般固定衛(wèi)通站而言，其組成更為復(fù)雜，工作方式更為靈活，采用1∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)時，跟蹤極化方式與通信極化方式必需相同，而單脈沖跟蹤方式又要求船載衛(wèi)通站更換信標(biāo)后需要在靜態(tài)條件下重新校相，因此這就限制了船載衛(wèi)通站在動態(tài)條件下進(jìn)行通信極化轉(zhuǎn)換，通過分析船載衛(wèi)通站的饋源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)工作原理，本文分析了限制動態(tài)進(jìn)行極化轉(zhuǎn)換的原因，提出了將跟蹤極化與通信極化相分離的方案，采用2∶1冗余低噪倒換系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)跟蹤與通信極化的分離，從而解決了動態(tài)條件下進(jìn)行通信極化轉(zhuǎn)換后無法跟蹤的難題，并結(jié)合工程實(shí)際分析采用兩套1∶1系統(tǒng)與采用2∶1系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及采用2∶1系統(tǒng)后對通信性能的影響，為工程實(shí)現(xiàn)提供了解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈民宜，蔡鎮(zhèn)遠(yuǎn).衛(wèi)星通信天線、饋源、跟蹤系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社，1993.

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在頻譜復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中，主要包括收發(fā)線圓轉(zhuǎn)換器、極化面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、正交模變換器以及雙工器等器件，其主要作用是進(jìn)行線圓轉(zhuǎn)換、極化角轉(zhuǎn)換以及收發(fā)信號的隔離。網(wǎng)絡(luò)可以同時輸出兩種極化方式的信號，對于發(fā)送端口而言，其接收來自高功率放大器的信號，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后通過天線將上行信號發(fā)送至衛(wèi)星，對于接收端口而言，其信號從網(wǎng)絡(luò)輸出后經(jīng)低噪聲放大器（該低噪稱為通信低噪，也稱和低噪）放大后，送入和差網(wǎng)絡(luò)與差信號進(jìn)行合成后，耦合成一路跟蹤信號送跟蹤接收機(jī)，一路下行通信信號送下變頻器等設(shè)備進(jìn)行通信。

跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)主要作用是將天線饋源網(wǎng)絡(luò)中生成的方位誤差信號和俯仰誤差信號對和信號進(jìn)行歸一化并轉(zhuǎn)換成直流信號，此信號送到天線伺服系統(tǒng)，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動天線朝誤差減小的方向運(yùn)動，從而確保天線始終對準(zhǔn)衛(wèi)星。

跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)包括低噪放大器、和差網(wǎng)絡(luò)和跟蹤接收機(jī)，其中和差網(wǎng)絡(luò)安裝在天線上，其功能是完成和差信號的單通道合成。差低噪輸出的信號經(jīng)過隔離器后由0～π調(diào)制器調(diào)制為抑制載波的差信號，在合成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)與和信號合成一路跟蹤信號送到接收機(jī)。和低噪輸出的信號在合成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)耦合出一路作為跟蹤信號與誤差信號合成單通道，主信號經(jīng)過隔離后輸出至下變頻器用于通信[2]。跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

2 存在問題

在工程實(shí)際中，為了提高系統(tǒng)可靠性，跟蹤低噪和通信低噪均采用1∶1熱備份方式工作，通過低噪控制器選擇一路低噪工作，而低噪信號輸入端一般固定接入在某一極化方式的端口上，例如，一般情況下，通信使用A極化信號，則和信號與差信號都接入右旋極化端口，這樣跟蹤A極化信標(biāo)，通信使用A極化轉(zhuǎn)發(fā)器，由于采用單脈沖跟蹤方式，在使用前需在碼頭靜態(tài)條件下進(jìn)行校相。系統(tǒng)連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 1∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)連接示意圖

但是這種連接方式存在的問題是使用不靈活，通信與跟蹤的極化方式必須相同，也就是說輸入和差網(wǎng)絡(luò)的兩路信號極化方式必須相同，因?yàn)橥ㄐ诺驮胼敵龅男盘栃杷腿牒铣删W(wǎng)絡(luò)耦合出兩路信號分別用于跟蹤和通信，當(dāng)需要從A極化轉(zhuǎn)發(fā)器更換為B極化轉(zhuǎn)發(fā)器時，就必須要更換天線上的線纜，將跟蹤低噪和通信低噪的輸入信號從右旋極化端口更換為左旋極化端口，更換電纜后，由于電纜接口緊固程度不相同，會導(dǎo)致和差通道相位發(fā)生變化，必須要重新進(jìn)行校相，這樣就限制了B極化轉(zhuǎn)發(fā)器的使用范圍，即要進(jìn)行A/B極化方式切換，必須要在碼頭靜態(tài)條件下進(jìn)行，否則無法進(jìn)行跟蹤，但在實(shí)際工作中，由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源有限，經(jīng)常會出現(xiàn)A極化轉(zhuǎn)發(fā)器難以租用的情況，需在動態(tài)環(huán)境下切換到B極化方式工作，但由于無法進(jìn)行靜態(tài)的校相，更換為B極化后天線無法跟蹤衛(wèi)星，從而無法使用，這樣就給船舶通信帶來困難。

3 優(yōu)化設(shè)計

從A極化通信方式改為B極化通信方式，對于上行鏈路而言，只需要對高功率放大器輸出的信號進(jìn)行切換即可，不存在限制，但對下行鏈路而言，現(xiàn)有的連接方式要求通信與跟蹤極化方式必須相同，需要更換和差通道線纜，從而導(dǎo)致更換B極化后需要重新校相，限制了B極化轉(zhuǎn)發(fā)器的使用。因此，為了解決該問題，可以考慮將通信與跟蹤極化方式分離，即允許跟蹤和通信采用不同的極化，這樣會避免更換通信極化方式后對跟蹤方式的影響。當(dāng)跟蹤與通信均采用A極化時，仍采用現(xiàn)有連接關(guān)系不變，當(dāng)需要B極化通信時，跟蹤仍采用A極化方式，但通信使用B極化方式，即采用A極化跟蹤B極化通信方式工作，其連接關(guān)系如圖4所示。

圖4 2∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)示意圖

與原有系統(tǒng)相比，跟蹤低噪仍采用1∶1系統(tǒng)，但通信低噪改用2∶1系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡(luò)兩個極化的信號均輸入到低噪中，輸出兩路極化信號分別至和差網(wǎng)絡(luò)和下變頻器設(shè)備，在這種方式下，跟蹤接收機(jī)可以固定跟蹤A極化信標(biāo)，而通信設(shè)備則可根據(jù)需要采用A極化或B極化方式通信，若采用A極化方式，則采用和差網(wǎng)絡(luò)輸出的下行信號接入下變頻器，若使用B極化方式，則采用通信低噪直接輸出至下邊頻器的信號，切換時只需要更換下行線纜即可，無需重新校相，可以大大提高衛(wèi)通站使用的靈活性。采用2∶1系統(tǒng)后，備份的低噪同時作為在線兩路低噪的備份，任意一路低噪故障時可以切換到備用低噪工作，可以提高系統(tǒng)可靠性。

要實(shí)現(xiàn)跟蹤與通信極化的分離，除了使用2∶1冗余低噪系統(tǒng)外，還可以采用兩套1∶1冗余低噪系統(tǒng)，即跟蹤使用一套1∶1冗余低噪系統(tǒng)，通信采用兩套1∶1冗余低噪系統(tǒng)，采用這種方式后系統(tǒng)可靠性更高，通信所使用的A極化信號與B極化信號是完全獨(dú)立的，但是這種方式帶來的問題是安裝所需要的空間較大，由于船載衛(wèi)通站為了實(shí)現(xiàn)全過頂無盲區(qū)跟蹤，一般采用A?E?C三軸結(jié)構(gòu)，其高頻箱尺寸相對較小，通信網(wǎng)絡(luò)及低噪放大器均安裝于高頻箱內(nèi)，低噪放大器由于采用波導(dǎo)連接且中間有轉(zhuǎn)換關(guān)節(jié)，因此尺寸較大，對安裝空間有一定的要求，而采用2∶1系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其安裝尺寸與1∶1系統(tǒng)相比增加不多，但是可實(shí)現(xiàn)兩路極化信號的輸入，可能的影響是A、B兩路極化信號之間相互干擾對通信帶來影響，下面對該問題進(jìn)行分析。

A、B極化信號之間相互干擾帶來的影響就是對交叉極化隔離度指標(biāo)的影響，船載衛(wèi)通站交叉極化隔離度的指標(biāo)要求一般為大于30 dB，采用2∶1系統(tǒng)時，A極化信號和B極化信號分別采用不同的波導(dǎo)倒換開關(guān)輸入輸出，而普通射頻倒換開關(guān)的隔離度可以達(dá)到大于40 dB，可以滿足極化隔離度的要求。因此，采用2∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)可以滿足使用要求。

4 結(jié) 語

船載衛(wèi)通站相比一般固定衛(wèi)通站而言，其組成更為復(fù)雜，工作方式更為靈活，采用1∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)時，跟蹤極化方式與通信極化方式必需相同，而單脈沖跟蹤方式又要求船載衛(wèi)通站更換信標(biāo)后需要在靜態(tài)條件下重新校相，因此這就限制了船載衛(wèi)通站在動態(tài)條件下進(jìn)行通信極化轉(zhuǎn)換，通過分析船載衛(wèi)通站的饋源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)工作原理，本文分析了限制動態(tài)進(jìn)行極化轉(zhuǎn)換的原因，提出了將跟蹤極化與通信極化相分離的方案，采用2∶1冗余低噪倒換系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)跟蹤與通信極化的分離，從而解決了動態(tài)條件下進(jìn)行通信極化轉(zhuǎn)換后無法跟蹤的難題，并結(jié)合工程實(shí)際分析采用兩套1∶1系統(tǒng)與采用2∶1系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及采用2∶1系統(tǒng)后對通信性能的影響，為工程實(shí)現(xiàn)提供了解決方案。

參考文獻(xiàn)

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在頻譜復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中，主要包括收發(fā)線圓轉(zhuǎn)換器、極化面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、正交模變換器以及雙工器等器件，其主要作用是進(jìn)行線圓轉(zhuǎn)換、極化角轉(zhuǎn)換以及收發(fā)信號的隔離。網(wǎng)絡(luò)可以同時輸出兩種極化方式的信號，對于發(fā)送端口而言，其接收來自高功率放大器的信號，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后通過天線將上行信號發(fā)送至衛(wèi)星，對于接收端口而言，其信號從網(wǎng)絡(luò)輸出后經(jīng)低噪聲放大器（該低噪稱為通信低噪，也稱和低噪）放大后，送入和差網(wǎng)絡(luò)與差信號進(jìn)行合成后，耦合成一路跟蹤信號送跟蹤接收機(jī)，一路下行通信信號送下變頻器等設(shè)備進(jìn)行通信。

跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)主要作用是將天線饋源網(wǎng)絡(luò)中生成的方位誤差信號和俯仰誤差信號對和信號進(jìn)行歸一化并轉(zhuǎn)換成直流信號，此信號送到天線伺服系統(tǒng)，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動天線朝誤差減小的方向運(yùn)動，從而確保天線始終對準(zhǔn)衛(wèi)星。

跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)包括低噪放大器、和差網(wǎng)絡(luò)和跟蹤接收機(jī)，其中和差網(wǎng)絡(luò)安裝在天線上，其功能是完成和差信號的單通道合成。差低噪輸出的信號經(jīng)過隔離器后由0～π調(diào)制器調(diào)制為抑制載波的差信號，在合成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)與和信號合成一路跟蹤信號送到接收機(jī)。和低噪輸出的信號在合成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)耦合出一路作為跟蹤信號與誤差信號合成單通道，主信號經(jīng)過隔離后輸出至下變頻器用于通信[2]。跟蹤接收機(jī)系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

2 存在問題

在工程實(shí)際中，為了提高系統(tǒng)可靠性，跟蹤低噪和通信低噪均采用1∶1熱備份方式工作，通過低噪控制器選擇一路低噪工作，而低噪信號輸入端一般固定接入在某一極化方式的端口上，例如，一般情況下，通信使用A極化信號，則和信號與差信號都接入右旋極化端口，這樣跟蹤A極化信標(biāo)，通信使用A極化轉(zhuǎn)發(fā)器，由于采用單脈沖跟蹤方式，在使用前需在碼頭靜態(tài)條件下進(jìn)行校相。系統(tǒng)連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 1∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)連接示意圖

但是這種連接方式存在的問題是使用不靈活，通信與跟蹤的極化方式必須相同，也就是說輸入和差網(wǎng)絡(luò)的兩路信號極化方式必須相同，因?yàn)橥ㄐ诺驮胼敵龅男盘栃杷腿牒铣删W(wǎng)絡(luò)耦合出兩路信號分別用于跟蹤和通信，當(dāng)需要從A極化轉(zhuǎn)發(fā)器更換為B極化轉(zhuǎn)發(fā)器時，就必須要更換天線上的線纜，將跟蹤低噪和通信低噪的輸入信號從右旋極化端口更換為左旋極化端口，更換電纜后，由于電纜接口緊固程度不相同，會導(dǎo)致和差通道相位發(fā)生變化，必須要重新進(jìn)行校相，這樣就限制了B極化轉(zhuǎn)發(fā)器的使用范圍，即要進(jìn)行A/B極化方式切換，必須要在碼頭靜態(tài)條件下進(jìn)行，否則無法進(jìn)行跟蹤，但在實(shí)際工作中，由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源有限，經(jīng)常會出現(xiàn)A極化轉(zhuǎn)發(fā)器難以租用的情況，需在動態(tài)環(huán)境下切換到B極化方式工作，但由于無法進(jìn)行靜態(tài)的校相，更換為B極化后天線無法跟蹤衛(wèi)星，從而無法使用，這樣就給船舶通信帶來困難。

3 優(yōu)化設(shè)計

從A極化通信方式改為B極化通信方式，對于上行鏈路而言，只需要對高功率放大器輸出的信號進(jìn)行切換即可，不存在限制，但對下行鏈路而言，現(xiàn)有的連接方式要求通信與跟蹤極化方式必須相同，需要更換和差通道線纜，從而導(dǎo)致更換B極化后需要重新校相，限制了B極化轉(zhuǎn)發(fā)器的使用。因此，為了解決該問題，可以考慮將通信與跟蹤極化方式分離，即允許跟蹤和通信采用不同的極化，這樣會避免更換通信極化方式后對跟蹤方式的影響。當(dāng)跟蹤與通信均采用A極化時，仍采用現(xiàn)有連接關(guān)系不變，當(dāng)需要B極化通信時，跟蹤仍采用A極化方式，但通信使用B極化方式，即采用A極化跟蹤B極化通信方式工作，其連接關(guān)系如圖4所示。

圖4 2∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)示意圖

與原有系統(tǒng)相比，跟蹤低噪仍采用1∶1系統(tǒng)，但通信低噪改用2∶1系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡(luò)兩個極化的信號均輸入到低噪中，輸出兩路極化信號分別至和差網(wǎng)絡(luò)和下變頻器設(shè)備，在這種方式下，跟蹤接收機(jī)可以固定跟蹤A極化信標(biāo)，而通信設(shè)備則可根據(jù)需要采用A極化或B極化方式通信，若采用A極化方式，則采用和差網(wǎng)絡(luò)輸出的下行信號接入下變頻器，若使用B極化方式，則采用通信低噪直接輸出至下邊頻器的信號，切換時只需要更換下行線纜即可，無需重新校相，可以大大提高衛(wèi)通站使用的靈活性。采用2∶1系統(tǒng)后，備份的低噪同時作為在線兩路低噪的備份，任意一路低噪故障時可以切換到備用低噪工作，可以提高系統(tǒng)可靠性。

要實(shí)現(xiàn)跟蹤與通信極化的分離，除了使用2∶1冗余低噪系統(tǒng)外，還可以采用兩套1∶1冗余低噪系統(tǒng)，即跟蹤使用一套1∶1冗余低噪系統(tǒng)，通信采用兩套1∶1冗余低噪系統(tǒng)，采用這種方式后系統(tǒng)可靠性更高，通信所使用的A極化信號與B極化信號是完全獨(dú)立的，但是這種方式帶來的問題是安裝所需要的空間較大，由于船載衛(wèi)通站為了實(shí)現(xiàn)全過頂無盲區(qū)跟蹤，一般采用A?E?C三軸結(jié)構(gòu)，其高頻箱尺寸相對較小，通信網(wǎng)絡(luò)及低噪放大器均安裝于高頻箱內(nèi)，低噪放大器由于采用波導(dǎo)連接且中間有轉(zhuǎn)換關(guān)節(jié)，因此尺寸較大，對安裝空間有一定的要求，而采用2∶1系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其安裝尺寸與1∶1系統(tǒng)相比增加不多，但是可實(shí)現(xiàn)兩路極化信號的輸入，可能的影響是A、B兩路極化信號之間相互干擾對通信帶來影響，下面對該問題進(jìn)行分析。

A、B極化信號之間相互干擾帶來的影響就是對交叉極化隔離度指標(biāo)的影響，船載衛(wèi)通站交叉極化隔離度的指標(biāo)要求一般為大于30 dB，采用2∶1系統(tǒng)時，A極化信號和B極化信號分別采用不同的波導(dǎo)倒換開關(guān)輸入輸出，而普通射頻倒換開關(guān)的隔離度可以達(dá)到大于40 dB，可以滿足極化隔離度的要求。因此，采用2∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)可以滿足使用要求。

4 結(jié) 語

船載衛(wèi)通站相比一般固定衛(wèi)通站而言，其組成更為復(fù)雜，工作方式更為靈活，采用1∶1低噪冗余倒換系統(tǒng)時，跟蹤極化方式與通信極化方式必需相同，而單脈沖跟蹤方式又要求船載衛(wèi)通站更換信標(biāo)后需要在靜態(tài)條件下重新校相，因此這就限制了船載衛(wèi)通站在動態(tài)條件下進(jìn)行通信極化轉(zhuǎn)換，通過分析船載衛(wèi)通站的饋源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)工作原理，本文分析了限制動態(tài)進(jìn)行極化轉(zhuǎn)換的原因，提出了將跟蹤極化與通信極化相分離的方案，采用2∶1冗余低噪倒換系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)跟蹤與通信極化的分離，從而解決了動態(tài)條件下進(jìn)行通信極化轉(zhuǎn)換后無法跟蹤的難題，并結(jié)合工程實(shí)際分析采用兩套1∶1系統(tǒng)與采用2∶1系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及采用2∶1系統(tǒng)后對通信性能的影響，為工程實(shí)現(xiàn)提供了解決方案。

參考文獻(xiàn)

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