衛(wèi)星通信電調(diào)極化技術(shù)研究

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所天線伺服專業(yè)部 王煥菊

衛(wèi)星通信電調(diào)極化技術(shù)研究

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所天線伺服專業(yè)部 王煥菊

文中針對(duì)衛(wèi)星通信中極化失配產(chǎn)生的通信質(zhì)量差等問(wèn)題，提出了一種電調(diào)極化技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)控制一對(duì)正交線極化波的幅相比例關(guān)系，可實(shí)時(shí)進(jìn)行極化調(diào)整。經(jīng)理論分析和實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。

極化；衛(wèi)星通信；極化隔離度

1 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,為充分利用頻率資源,增加轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的數(shù)量,Ku波段多采用正交線極化方式,實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用。若地面通信設(shè)備極化調(diào)整不當(dāng),出現(xiàn)極化失配,則會(huì)產(chǎn)生極化損耗、交叉極化干擾等問(wèn)題。具體而言,對(duì)于單極化天線,若極化失配,則會(huì)產(chǎn)生極化損耗,使信號(hào)功率降低;對(duì)于雙極化天線,若極化失配,則不僅會(huì)產(chǎn)生極化損耗,降低信號(hào)場(chǎng)強(qiáng),還會(huì)使同頻正交信號(hào)相互干擾;對(duì)于接收信道,若極化不匹配,則會(huì)使接收信號(hào)功率下降,信噪比降低,嚴(yán)重時(shí)接收機(jī)無(wú)法接收到衛(wèi)星信號(hào)或解調(diào)不出衛(wèi)星信號(hào),使通信中斷;對(duì)于發(fā)射信道,若極化不匹配 ,則會(huì)使發(fā)射信號(hào)交叉極化隔離度差,直接對(duì)同一轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)其它地球站的同頻正交信號(hào)造成干擾。因此,研究衛(wèi)星通信系統(tǒng)中極化調(diào)整技術(shù)對(duì)于提高通信質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 極化的定義和極化角的產(chǎn)生

一般用電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的矢端在空間固定點(diǎn)隨時(shí)間變化的軌跡來(lái)表示電磁波的極化狀態(tài)。若電場(chǎng)矢量的端點(diǎn)隨時(shí)間變化的軌跡是直線時(shí),該電磁波就是線極化波。線極化分為水平極化和垂直極化,它們都是相對(duì)于某一參考面而言的。地面接收天線的極化狀態(tài)是以衛(wèi)星接收點(diǎn)的地平面作為基準(zhǔn),若天線饋源的電場(chǎng)矢量與該地平面平行,則為水平極化;反之若與該地面垂直,則為垂直極化。而衛(wèi)星發(fā)射天線的極化狀態(tài)的基準(zhǔn)是衛(wèi)星軸系,若電場(chǎng)矢量平行于衛(wèi)星軌道平面,則為水平極化;若垂直于衛(wèi)星軌道平面,則為垂直極化。可見由于接收天線的極化狀態(tài)與發(fā)射天線的極化狀態(tài)采用的參考系不同,導(dǎo)致地面接收天線極化方向相對(duì)于衛(wèi)星發(fā)射天線必須旋轉(zhuǎn)一定的角度,才能實(shí)現(xiàn)極化匹配,而旋轉(zhuǎn)的這個(gè)角度就是極化角。

具體而言,假定衛(wèi)星波束中心與衛(wèi)星同經(jīng)度,那么與星下點(diǎn)(即衛(wèi)星在地球上的投影,該點(diǎn)位于赤道上,所在經(jīng)度與衛(wèi)星經(jīng)度相同)同經(jīng)度的非星下點(diǎn)接收天線的極化不需要調(diào)整,就能與很好地匹配衛(wèi)星輻射的電磁波;而與星下點(diǎn)不同經(jīng)度的非星下點(diǎn)接收天線的極化狀態(tài)必須旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,才能較好地匹配衛(wèi)星輻射的電磁波。如圖1所示:

圖1 極化角的產(chǎn)生

工程上,假定衛(wèi)星波束中心與衛(wèi)星經(jīng)度相同或相差較小,則地面接收天線的極化角P可用下式計(jì)算:

從公式1可以看出極化角與衛(wèi)星與接收站的經(jīng)度差以及接收站所在的緯度有關(guān)。相同經(jīng)度的接收站,極化角為0;相同緯度的地球站,經(jīng)度差越大,極化角越大。

3 交叉極化隔離度、極化損失與極化角之間的關(guān)系

首先以雙線極化接收天線為例,說(shuō)明交叉極化隔離度(XPI)與交叉極化鑒別率(XPD)的區(qū)別。如圖2所示,天線收到的水平分量為:

天線收到的垂直分量為:

交叉極化隔離度(XPI)的定義為信號(hào)在本信道產(chǎn)生的主極化分量與在另一信道中產(chǎn)生的交叉極化分量之比,即:

交叉極化鑒別率(XPD)的定義為本信道的主極化分量與另一信號(hào)在本信道產(chǎn)生的交叉極化分量之比,即:

從定義可以看出,交叉極化隔離度用來(lái)衡量本信道產(chǎn)生的交叉極化分量對(duì)另一信號(hào)的影響,而交叉極化鑒別率用來(lái)衡量另一正交信道產(chǎn)生的交叉極化分量對(duì)本信道的影響;不論單極化還是雙極化系統(tǒng)都存在交叉極化隔離度,而交叉極化鑒別率僅存在于雙極化系統(tǒng)。交叉極化隔離度通常用于衡量發(fā)射端的干擾狀況,而交叉極化鑒別率則用于衡量接收端的被干擾情況。在雙極化系統(tǒng)中,通常有XPIXPD,而傳輸媒質(zhì)也是互易的,因此,數(shù)值上E1E2。故在衛(wèi)星通信地球站入網(wǎng)的實(shí)際測(cè)試工作中,不再區(qū)分XPI與XPD[1]。

圖2 雙極化接收天線示意圖

由E1E2,可得交叉極化隔離度與極化角之間的關(guān)系為:

極化損失與極化角之間的關(guān)系為:

由公式(6)、(7)可得如下曲線,如圖3所示:

圖3 極化隔離度、極化損失與極化角之間的關(guān)系圖

可見,若極化失配,雖然極化損失不大,但交叉極化隔離度已大大降低。

4 電調(diào)極化原理及實(shí)現(xiàn)

4.1 電調(diào)極化原理

簡(jiǎn)言之,電調(diào)極化就是采用數(shù)字電路控制兩個(gè)正交線極化波的幅相比例,來(lái)獲得任意極化狀態(tài)的電磁波。具體而言,如圖2所示,假設(shè)載體上的接收天線與衛(wèi)星的極化夾角為,載體上的接收天線為一對(duì)正交的線極化天線,則接收天線收到的主極化波的電場(chǎng)矢量為,交叉極化波電場(chǎng)矢量為;天線的水平極化電場(chǎng)分量為,垂直極化電場(chǎng)分量為。

其中,天線的水平極化收到的主極化波的水平分量:

天線的水平極化收到的交叉極化波的水平分量:

天線的垂直極化收到的主極化波的垂直分量:

天線的垂直極化收到的交叉極化波的垂直分量:

則天線的水平極化為:

天線的垂直極化為:

綜上所述,可以看出,當(dāng)主極化波與交叉極化波同時(shí)進(jìn)入接收天線時(shí),經(jīng)過(guò)上述算法的處理,就可以把交叉極化波消除,從而達(dá)到極化匹配的目的。

4.2 電調(diào)極化實(shí)現(xiàn)

工程中,采用極化調(diào)整模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)電調(diào)極化,極化調(diào)整模塊組成框圖如圖4所示。

進(jìn)行極化狀態(tài)調(diào)整時(shí),天線水平極化分量輸入經(jīng)過(guò)衰減器時(shí)保持不變,即為:

綜上所述,雙極化天線接收下來(lái)的兩路正交極化波,經(jīng)極化調(diào)整模塊之后,可濾除交叉極化分量,實(shí)現(xiàn)極化匹配。

圖4 極化調(diào)整模塊組成原理框圖

圖5 接收天線極化校準(zhǔn)設(shè)備連接示意圖

5 實(shí)測(cè)結(jié)果

5.1 測(cè)試方法

按照?qǐng)D5所示,連接各儀器設(shè)備,校準(zhǔn)過(guò)程如下:

(2)分別測(cè)試待測(cè)天線水平極化通道、垂直極化通道接收的功率值;然后調(diào)整衰減器,使得兩通道接收的功率值一致;

(3)電調(diào)移相器,使得兩路信道接收到的功率和最大,即得主極化功率M(dBm);

(4)主極化通道移相器反相180°,即得交叉極化功率C(dBm);

(5)此時(shí)天線的交叉極化隔離度為M-C(dB)。

5.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上測(cè)試方式,測(cè)得不同極化狀態(tài)下的極化隔離度:極化角為±90°時(shí),極化隔離度均大于30dB;極化角為±45°時(shí),極化隔離度均大于18dB;極化角為0°時(shí),極化隔離度大于23dB。經(jīng)測(cè)試,全頻帶不同極化狀態(tài)下的極化隔離度均大于18dB,可滿足通信系統(tǒng)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種極化調(diào)整方案,通過(guò)控制兩個(gè)正交線極化波的幅度和相位,實(shí)時(shí)對(duì)極化角進(jìn)行調(diào)整。該極化校準(zhǔn)過(guò)程中波控計(jì)算機(jī)通過(guò)USB-GPIB轉(zhuǎn)接卡與頻譜儀連接起來(lái),實(shí)時(shí)讀取、存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)果,又通過(guò)CAN總線控制極化調(diào)整模塊中的移相器、衰減器,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)極化調(diào)整。經(jīng)驗(yàn)證該方法快速、高效,可有效解決衛(wèi)星通信中的極化失配現(xiàn)象,提高通信質(zhì)量。

［1］王衛(wèi)民 頻率復(fù)用通信系統(tǒng)中的交叉極化問(wèn)題［J］.微波學(xué)報(bào),第21卷增刊,2005(4):157-159.

［2］沈曉衛(wèi),姚敏立,林志強(qiáng),畢清波.“動(dòng)中通”變極化系統(tǒng)研究［J］.通信技術(shù),2007(9):5-7.

［3］車晴.衛(wèi)星廣播中線極化匹配問(wèn)題的理論分析［J］.北京廣播學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1998(2):8-16.

［4］王道平,陳輝華,何敏.“動(dòng)中通”接收天線極化匹配及跟蹤技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù),2009(12):103-105.

王煥菊（1982—），女，河北石家莊人，博士研究生，主要從事射頻電路與微波技術(shù)研究。