衛(wèi)星通信中天線極化隔離度的調(diào)整

王 暉，張新元，劉飛飛

（中國衛(wèi)通集團股份有限公司，北京 100094）

衛(wèi)星通信是地球站之間利用衛(wèi)星作為中繼站的一種無線電通信方式，具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠、組網(wǎng)便捷等特點，在我國廣播、電視、數(shù)據(jù)通信等業(yè)務(wù)中得到廣泛應(yīng)用和蓬勃發(fā)展。在衛(wèi)星天線架設(shè)完成以后，要高質(zhì)量接收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號就需要準(zhǔn)確地調(diào)整衛(wèi)星天線，使得天線的方位角、俯仰角和極化角與衛(wèi)星相匹配。在指向同一顆衛(wèi)星的情況下，不同地理位置的衛(wèi)星天線方位角、俯仰角和極化角是不同的，因此同一副天線改變了位置，三個角都需要重新調(diào)整。如果三個角未調(diào)準(zhǔn)到合適的位置，會影響到極化隔離度的測試結(jié)果，導(dǎo)致天線的該項指標(biāo)不合格，無法入網(wǎng)運行。以下所討論的，如無特殊說明，都是線極化的情況。

1 天線的方位角、俯仰角和極化角

1.1 天線的方位角

天線的方位角是指天線的軸線在水平面的投影與正北方向的夾角，以正北為零，順時針方向為正。當(dāng)?shù)孛嬲咎炀€位于北半球時，從參考文獻中得到方位角的計算公式為：

式中，e 為地球站的緯度（北緯為正，南緯為負）；λe為地球站的經(jīng)度（東經(jīng)為正，西經(jīng)為負）；λs為衛(wèi)星經(jīng)度（東經(jīng)為正，西經(jīng)為負）。

圖1 天線的方位角與經(jīng)緯度的關(guān)系

根據(jù)公式（1），當(dāng)衛(wèi)星位于λs=110.5°時，地球站位于不同經(jīng)度和緯度下（經(jīng)度80°～120°E，緯度2°～52°N），方位角的分布如圖1。

1.2 天線的俯仰角

天線的俯仰角是指天線的軸線與水平面的夾角。當(dāng)?shù)孛嬲咎炀€位于北半球時，從參考文獻中得到俯仰角的計算公式為：

式中，e，λe，λs的定義與式（1）中相同；Re=6378km，為地球半徑；H=35786km，為同步衛(wèi)星距地球表面的高度。根據(jù)式（2），當(dāng)衛(wèi)星位于λs=110.5°時，地球站位于不同經(jīng)度和緯度下（經(jīng)度80°～120°E，緯度2°～52°N），俯仰角的分布如下：

圖2 天線的俯仰角與經(jīng)緯度的關(guān)系

1.3 天線的極化角

天線的極化角是以其饋源中矩形波導(dǎo)的安裝方式?jīng)Q定的，并且是以地面為基準(zhǔn)定義的，當(dāng)矩形波導(dǎo)口窄邊平行于地面時為水平極化，當(dāng)矩形波導(dǎo)口窄邊垂直于地面時為垂直極化。在多數(shù)情況下，衛(wèi)星下行信號的極化方向并不是理想地平行或垂直于地面，而是隨著接收天線所處的地球經(jīng)緯度的不同而不同。為了使天線的極化方向與衛(wèi)星下行信號的極化方向相一致，接收天線饋源中波導(dǎo)口相對于地面需要傾斜一個角度Ψ，計算公式為：

式中，e，λe，λs的定義與式（1）中相同。根據(jù)公式（3），當(dāng)衛(wèi)星位于λs=110.5°時，地球站位于不同經(jīng)度和緯度下（經(jīng)度80°～120°E，緯度2°～52°N），極化角的分布如圖3所示：

2 天線的極化隔離度

天線的極化隔離度（CPI，Cross Polar Isolation）是用戶載波上星前需要測試的一項重要指標(biāo)。測試時，需要用戶在規(guī)定頻點處發(fā)射單載波，監(jiān)測站通過測量該單載波在正反兩個極化上的功率差值，得到極化隔離度。在監(jiān)測站看到的頻譜圖如下：

圖3 天線的極化角與經(jīng)緯度的關(guān)系

圖4 極化測試時的頻譜圖

我們所說的極化隔離度是分量1和分量3之間的差值，這個差值是和發(fā)射站的極化相關(guān)的，中國衛(wèi)通要求在考慮通道差的情況下，此差值需要大于30dB。下面就簡要講述三個分量的來源：為了討論的簡單，我們假設(shè)衛(wèi)星上的天線是理想的，沒有H 和V極化的相互泄露。待測站發(fā)射的載波的電場為Et（f），依據(jù)衛(wèi)星的H 和V 極化對Et（f）做正交分解，可以得到Eth（f）和Etv（f），兩個極化分量分別進入衛(wèi)星上的H 極化和V 極化通道，衛(wèi)星通過放大變頻將接收到信號轉(zhuǎn)發(fā)下去，下行的H 極化和V 極化通道分量為Esh（f-Δ1）和Esv（f-Δ2），其中Δ1和Δ2是衛(wèi)星上下行頻率之間的差值。由于衛(wèi)星變頻器的制作工藝，兩數(shù)值有稍許差別，大約在1kHz 左右。兩數(shù)值都約等于衛(wèi)星的本振（LO，Local Oscillator）。一般，在標(biāo)準(zhǔn)C 波段，衛(wèi)星的本振為2225MHz，在標(biāo)準(zhǔn)Ku 波段，衛(wèi)星本振為1750MHz。

在接收端（即監(jiān)測站），收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)下來的H 極化和V 極化通道分量Esh（f-Δ1）和Esv（f-Δ2），同時，接收天線存在H極化和V 極化的相互泄露，為了能清楚的看到泄露分量，我們將接收天線的H、V 極化軸定義為H'和V'，與H、V 有一個夾角，夾角大小與泄露程度以及接收天線極化（一般，監(jiān)測站的天線極化都已調(diào)整到最佳）有關(guān)，一般此角都比較小。對于接收到Esh（f-Δ1）來說，又可以分解為兩個分量Erh（f-Δ1）和Erv（f-Δ1），這就是極化圖中的分量1和分量2。對于接收到Esv（f-Δ2）來說，也可以分解為兩個分量Erh（f-Δ2）和Erv（f-Δ2），其中Erv（f-Δ2）就是圖中的分量3。通過調(diào)整待測站的方位、俯仰，使分量1最大，此時天線已經(jīng)準(zhǔn)確對準(zhǔn)衛(wèi)星；旋轉(zhuǎn)待測站的饋源，調(diào)整極化角，使分量3最小，最終使分量1和分量3的差值大于30dB。在調(diào)整的過程中，可能需要反復(fù)調(diào)整方位、俯仰和極化角，才能最終達到要求。

圖5 極化分量在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的示意圖

3 天線的方位角、俯仰角和極化角對極化隔離度的影響

通常情況下，用戶準(zhǔn)備上業(yè)務(wù)之前都必須聯(lián)系衛(wèi)星運營商進行極化隔離度的測試。首先，用戶應(yīng)按前面公式（1）和（2）計算結(jié)果，或衛(wèi)星運營商提供的方位俯仰角，大致對上衛(wèi)星。在有頻譜儀或者接收機的條件下，可通過精細調(diào)整方位和俯仰角，使得載波（一般為衛(wèi)星信標(biāo)，有時也可能是轉(zhuǎn)發(fā)器上的載波）接受電平最大，就可以確定天線已經(jīng)對準(zhǔn)衛(wèi)星。在有頻譜儀的情況下，建議使用信標(biāo)電平作為參考，而且一般的衛(wèi)星在水平和垂直極化各自都有信標(biāo)。方位俯仰調(diào)到最佳后，可以旋轉(zhuǎn)饋源的角度，使得同極化的信標(biāo)調(diào)整到最大，反極化信標(biāo)調(diào)到最小，直至調(diào)到噪聲電平之下。在有接收機的情況下，可以參考轉(zhuǎn)發(fā)器上的載波進行調(diào)整。

以上調(diào)整完成后，就可以聯(lián)系衛(wèi)星運營商進行極化隔離度的測試了。用戶在約定頻點發(fā)出單載波后，會被要求先旋轉(zhuǎn)饋源。如果天線已對準(zhǔn)衛(wèi)星，僅通過旋轉(zhuǎn)饋源就可以使得極化隔離度達到30dB 以上。有些情況下，還需要調(diào)整方位俯仰。在協(xié)助用戶調(diào)整的時候，發(fā)現(xiàn)方位角、俯仰角和極化角對極化隔離度的影響程度是不同的。

為了研究這種不同的影響程度，分別使用Ku 波段1.8M 和C波段2.4M 天線在不同衛(wèi)星上進行測試。

將Ku 波段1.8M 天線對準(zhǔn)衛(wèi)星，極化隔離度調(diào)整到最好為44.24dB，測試數(shù)據(jù)如下：

3.1 改變方位角

表1 改變方位對極化隔離度的影響

圖6 改變方位對極化隔離度的影響

3.2 改變俯仰角

表2 改變俯仰角對極化隔離度的影響

圖7 改變方位對極化隔離度的影響

3.3 改變極化角

表3 改變極化角對極化隔離度的影響

圖8 改變極化對極化隔離度的影響

從以上數(shù)據(jù)可以看出，方位角從最大值減小了1.5°，極化隔離度減小了20.02dB；俯仰角從最大值減小了0.62°，極化隔離度減小了20.36dB。對于這幅天線來說，極化隔離度對于俯仰角比方位角更敏感。

接下來，又測試了C 波段的2.4M 天線的方位、俯仰和極化對極化隔離度的影響。測試數(shù)據(jù)如下：

圖9 C波段的2.4M天線的方位、俯仰和極化對極化隔離度的影響

對于這幅天線來說，極化隔離度對于方位角比俯仰角更敏感。通過分析發(fā)現(xiàn)，由于不同天線設(shè)計上存在差別，因此極化隔離度對于方位角和俯仰角的敏感程度不同。

4 結(jié)束語

天線的極化隔離度是天線入網(wǎng)運行必須要滿足的指標(biāo)。如果此項指標(biāo)不合格，能量會泄露到反極化上，入網(wǎng)運行后，不僅對天線的發(fā)射能力有影響，而且會使反極化的用戶業(yè)務(wù)接收降低。通過極化隔離度測試后，用戶就可以通過天線發(fā)射或者接收衛(wèi)星信號。希望通過此文，使得衛(wèi)星使用者對極化隔離度測試有進一步的認識，從而使衛(wèi)星更加安全、高效的運行，發(fā)揮衛(wèi)星通信的最大效能。