衛星通信中交叉極化干擾現象與處理方法

谷平反，崔 偉

（武警石家莊士官學校，河北石家莊 050061）

隨著現代通信技術、計算機技術、航天技術和半導體集成電路技術的不斷發展，衛星通信正在以日新月異的速度發展。衛星通信有許多其他通信方式無法替代的優點，如：通信距離遠、建立成本與通信距離無關、多址鏈接、通信容量大等。但由于通信體制的原因，衛星通信也存在一些典型的干擾：日凌干擾、鄰星干擾、反極化干擾、互調干擾、相鄰信道干擾等。而這些干擾當中交叉極化干擾人為因素大，造成的影響較嚴重，因此認識交叉極化干擾產生的原因，熟悉交叉極化干擾的特征，掌握減少交叉極化干擾的方法就成了當務之急［1－4］。

1 交叉極化干擾產生的原因

1.1 極化角

天線中現有的極化方式為線極化和圓極化兩種。線極化方式又分為水平極化和垂直極化，圓極化分為左旋極化和右旋極化。以線極化為例（圓極化不需要極化角調整），其中“水平”和“垂直”一般指的是電磁波中的電場矢量方向同地球表面的夾角。電場矢量方向如果同地球表面夾角為90°，則為垂直極化，如果電場矢量方向平行地球表面，則為水平極化。為保證信號的有效輻射和接收信號強度最大，要求衛星發射天線與接收天線滿足極化匹配的條件。

在距離近的情況下，發射機和接收機可以近似認為在同一水平面上，因此只要滿足極化匹配的條件就可以達到接收信號強度最大的要求，但是在距離遠的情況下就必須要考慮地球曲率的影響，由于地球呈球形，不同的地面站又處在不同的經緯度，衛星地面站天線同衛星天線的極化方向參考平面就不一樣，如圖1所示。

圖1 極化角的產生Fig.1 Generation of polarization angle

假定衛星波束中心與衛星同經度，那么與星下點同經度（但緯度不同）的非星下點接收天線能很好地與衛星輻射電磁波匹配，而與星下點不同經度的非星下點接收天線的極化必須旋轉一個角度才能與衛星電波相匹配，這個旋轉的角度就叫做極化角，這個極化角也等于星下點的接收天線所在的地平面與非星下點的接收天線所在的地平面之間的交角。

1.2 極化隔離頻率復用技術

為了充分利用衛星轉發器的頻率資源，衛星轉發器通常采用極化隔離頻率復用技術，它是指2個波束的指向區域可能是重疊的并且使用相同的頻率，但通過使用不同的極化方式來實現信號之間的隔離，即一個信號波用水平極化，另一個信號波用垂直極化；或一個信號用右旋極化，另一個信號用左旋極化。鑫諾5號衛星Ku頻段的16個轉發器就采用了水平與垂直的雙線極化［5］，如圖2所示。

圖2 鑫諾5號Ku波段頻率計劃表Fig.2 Sino 5’s frequency schedule in Ku－waveband

圖2中上行鏈路的2A 和2B 就會有頻率的重疊，只是發射信號的極化方式不同。

地球站接收或發射衛星信號時，需要采用相應的極化方式，并將天線極化角調整到最合適的位置，使接收信號最強，有效發射功率最大，保證信號不泄漏到另外一個極化。信號使用的極化稱為主極化，另外一個極化稱為交叉極化或反極化。由于極化角調整不合適，信號泄漏到另外一個極化，以至干擾其他極化同頻的用戶造成了交叉極化干擾。

2 交叉極化干擾的特征及造成的后果

交叉極化干擾一般可以分為上行交叉極化干擾和下行交叉極化干擾。上行交叉極化干擾一般是地面站用戶發射信號時，未調整好極化角或發射功率過高造成的。下行交叉極化干擾是指衛星轉發器發射的信號極化隔離度不夠。一旦衛星發射上空，下行交叉極化干擾不容易調整，人為因素不大，這里主要關注上行交叉極化干擾［6－10］。

2.1 交叉極化干擾的特征

交叉極化發生時，它的干擾幅度一般比正常載波要低，頻譜上表現為在反極化的同頻有相同頻譜的載波存在。一般產生的原因是用戶發射的極化角未調整好，導致信號泄漏到另外一個極化的轉發器。交叉極化干擾頻譜圖見圖3。

圖3 交叉極化干擾頻譜圖Fig.3 Frequency spectrum of cross polarization interference

從圖3中可以看到12.334 35GHz附近，由于B轉發器的用戶1未調整好極化角，產生信號的泄漏，使得A 轉發器在同頻處產生了一個幅度比正常載波低的反極化干擾。相同的是在12.336 75GHz和12.331 15GHz附近由于A 轉發器用戶2和用戶3的原因，在B 轉發器相同頻率的位置上產生了反極化干擾。

2.2 交叉極化造成的后果

交叉極化干擾會影響3類用戶：網內主極化用戶本身、相鄰頻段網內其他用戶和另外一個交叉極化轉發器同頻段的用戶。

一個典型的實例，某集團網用戶在使用衛星建立視頻通信的過程中，發現有馬賽克、卡頓的現象，當時采樣的頻譜圖如圖4所示。

圖4 采樣頻譜圖Fig.4 Sampling frequency spectrum diagram

A 轉發器上的用戶1和用戶3在發射信號時，由于極化角調整不合適，產生交叉極化干擾。用戶1比用戶3 產生的交叉極化干擾更嚴重，在用戶1頻譜的邊緣已經產生了“階梯”。由于用戶1使用的頻段周圍沒有其他用戶，不會對網內其他用戶產生影響，但是由于信號的功率一部分泄漏到另外一個極化，必然會影響自己的正常通信。同時這部分泄漏到另外一個極化的信號，對于背面的B 轉發器來說，就是噪音，毫無疑問也會影響到B 轉發器用戶使用同頻率通信。用戶3雖然交叉極化干擾并不是很嚴重，但由于用戶2使用的頻率離用戶3較近，交叉極化在影響用戶3自己的同時，也改變了用戶2的頻譜結構，影響到了用戶2的正常使用。此時用戶1通信效果最差，誤碼率大，無法正常進行通信，用戶3表現為偶爾的馬賽克的出現，但用戶2和用戶3總體來說還是可以通信的。用戶1此時錯誤的認為，通信效果差是因為發射功率低，就加大了自己的發射功率，導致更大的交叉極化信號泄漏到B 轉發器，同時自身邊緣的“階梯”大量出現，甚至影響到了本網內的用戶2和用戶3，使原本還可以正常通信的用戶2和用戶3徹底無法通信。當時的采樣頻譜圖如圖5所示。

圖5 用戶1增大發射功率后的頻譜圖Fig.5 Frequency spectrum after increasing the transmitted power

3 交叉極化干擾的處理方法

毫無疑問交叉極化干擾造成的影響較大，不僅會影響到自己（主極化用戶、網內相鄰頻段用戶），還會影響到別人（交叉極化轉發器同頻段用戶），因此盡量減小交叉極化干擾的產生，對保證衛星通信的效果起到關鍵性的作用。減小交叉極化干擾的主要處理方法如下。

3.1 入網前，嚴格進行開通測試

地面站在入網前，必須要進行嚴格的極化隔離度和功率標定兩項測試。極化隔離度是信號主極化分量和交叉極化分量功率之比。這個比值越大，說明天線極化角調整的越合適，泄漏到交叉極化的信號就越小。調試的目的就是為了盡量加大主極化分量，減小交叉極化分量。功率標定是為了轉發器的工作能在線性區域，保證不同的用戶載波具有相同的功率譜密度，而對地面站的發射電平進行標定。

3.2 入網后，定期檢查，排除隱患

即使通過開通測試滿足要求的地球站，隨著時間的推移，也會由于各種原因造成極化隔離度下降帶來反極化干擾。因此要定期對地面站進行檢查，檢查的項目有：

1）地球站天線指向是否誤差過大；

2）極化器是否挪位，由于各種原因造成極化器偏離原來的位置；

3）天線饋源膜是否損壞，饋源內是否填充其他物質；

4）地球站發射功率是否過大；

5）地球站搬遷后，需要重新進行極化隔離度和發射功率的標定。

3.3 建鏈時，規范操作，及時調整

為了保證每次建鏈的通信效果，操作時要規范，并且要及時調整。在實際的極化角調整中，可分以下3步。

1）粗調 先按計算所得的仰角、方位角和極化角調整天線指向及饋源旋轉角度，使仰角、方位角最佳并鎖定天線指向。

2）細調 用頻譜分析儀、AGC電壓或衛星接收機中的信號強度指示條等方法精確調整。由于頻譜儀價格高，所以在實際操作中都使用方便簡單的AGC電壓法和衛星接收機中的信號強度指示條法。

3）及時調整 建立鏈路的通信過程后，地面站不停機，由衛星公司隨時監測地面站的極化隔離度的大小。地面站操作人員反復調整極化角使“極化隔離度”穩定在一個最大數值上，之后固定極化角、標注位置，完成調整。

4 結 語

操作衛星地面站時，只要做到嚴格遵循入網開通測試、日常操作規程，定期進行檢查維護，就可以將影響衛星通信中人為因素較大的交叉極化干擾現象減到最小，使衛星通信在現實的生活和工作中發揮更大的作用。

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