衛星通信電調極化技術研究

中國電子科技集團公司第五十四研究所天線伺服專業部 王煥菊

衛星通信電調極化技術研究

中國電子科技集團公司第五十四研究所天線伺服專業部 王煥菊

文中針對衛星通信中極化失配產生的通信質量差等問題，提出了一種電調極化技術。該技術通過控制一對正交線極化波的幅相比例關系，可實時進行極化調整。經理論分析和實際測試，驗證了該技術的有效性。

極化；衛星通信；極化隔離度

1 引言

衛星通信系統中,為充分利用頻率資源,增加轉發信號的數量,Ku波段多采用正交線極化方式,實現頻率復用。若地面通信設備極化調整不當,出現極化失配,則會產生極化損耗、交叉極化干擾等問題。具體而言,對于單極化天線,若極化失配,則會產生極化損耗,使信號功率降低;對于雙極化天線,若極化失配,則不僅會產生極化損耗,降低信號場強,還會使同頻正交信號相互干擾;對于接收信道,若極化不匹配,則會使接收信號功率下降,信噪比降低,嚴重時接收機無法接收到衛星信號或解調不出衛星信號,使通信中斷;對于發射信道,若極化不匹配 ,則會使發射信號交叉極化隔離度差,直接對同一轉發器內其它地球站的同頻正交信號造成干擾。因此,研究衛星通信系統中極化調整技術對于提高通信質量、實現頻率復用有十分重要的現實意義。

2 極化的定義和極化角的產生

一般用電磁波的電場強度矢量的矢端在空間固定點隨時間變化的軌跡來表示電磁波的極化狀態。若電場矢量的端點隨時間變化的軌跡是直線時,該電磁波就是線極化波。線極化分為水平極化和垂直極化,它們都是相對于某一參考面而言的。地面接收天線的極化狀態是以衛星接收點的地平面作為基準,若天線饋源的電場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。而衛星發射天線的極化狀態的基準是衛星軸系,若電場矢量平行于衛星軌道平面,則為水平極化;若垂直于衛星軌道平面,則為垂直極化。可見由于接收天線的極化狀態與發射天線的極化狀態采用的參考系不同,導致地面接收天線極化方向相對于衛星發射天線必須旋轉一定的角度,才能實現極化匹配,而旋轉的這個角度就是極化角。

具體而言,假定衛星波束中心與衛星同經度,那么與星下點(即衛星在地球上的投影,該點位于赤道上,所在經度與衛星經度相同)同經度的非星下點接收天線的極化不需要調整,就能與很好地匹配衛星輻射的電磁波;而與星下點不同經度的非星下點接收天線的極化狀態必須旋轉一個角度,才能較好地匹配衛星輻射的電磁波。如圖1所示:

圖1 極化角的產生

工程上,假定衛星波束中心與衛星經度相同或相差較小,則地面接收天線的極化角P可用下式計算:

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

首先以雙線極化接收天線為例,說明交叉極化隔離度(XPI)與交叉極化鑒別率(XPD)的區別。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)的定義為信號在本信道產生的主極化分量與在另一信道中產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在本信道產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衡量本信道產生的交叉極化分量對另一信號的影響,而交叉極化鑒別率用來衡量另一正交信道產生的交叉極化分量對本信道的影響;不論單極化還是雙極化系統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。交叉極化隔離度通常用于衡量發射端的干擾狀況,而交叉極化鑒別率則用于衡量接收端的被干擾情況。在雙極化系統中,通常有XPIXPD,而傳輸媒質也是互易的,因此,數值上E1E2。故在衛星通信地球站入網的實際測試工作中,不再區分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系為:

極化損失與極化角之間的關系為:

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 電調極化原理及實現

4.1 電調極化原理

簡言之,電調極化就是采用數字電路控制兩個正交線極化波的幅相比例,來獲得任意極化狀態的電磁波。具體而言,如圖2所示,假設載體上的接收天線與衛星的極化夾角為,載體上的接收天線為一對正交的線極化天線,則接收天線收到的主極化波的電場矢量為,交叉極化波電場矢量為;天線的水平極化電場分量為,垂直極化電場分量為。

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,當主極化波與交叉極化波同時進入接收天線時,經過上述算法的處理,就可以把交叉極化波消除,從而達到極化匹配的目的。

4.2 電調極化實現

工程中,采用極化調整模塊來實現電調極化,極化調整模塊組成框圖如圖4所示。

進行極化狀態調整時,天線水平極化分量輸入經過衰減器時保持不變,即為:

綜上所述,雙極化天線接收下來的兩路正交極化波,經極化調整模塊之后,可濾除交叉極化分量,實現極化匹配。

圖4 極化調整模塊組成原理框圖

圖5 接收天線極化校準設備連接示意圖

5 實測結果

5.1 測試方法

按照圖5所示,連接各儀器設備,校準過程如下:

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

(3)電調移相器,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)此時天線的交叉極化隔離度為M-C(dB)。

5.2 測試結果

根據以上測試方式,測得不同極化狀態下的極化隔離度:極化角為±90°時,極化隔離度均大于30dB;極化角為±45°時,極化隔離度均大于18dB;極化角為0°時,極化隔離度大于23dB。經測試,全頻帶不同極化狀態下的極化隔離度均大于18dB,可滿足通信系統要求。

6 結束語

文中提出了一種極化調整方案,通過控制兩個正交線極化波的幅度和相位,實時對極化角進行調整。該極化校準過程中波控計算機通過USB-GPIB轉接卡與頻譜儀連接起來,實時讀取、存儲測試結果,又通過CAN總線控制極化調整模塊中的移相器、衰減器,實現了自動極化調整。經驗證該方法快速、高效,可有效解決衛星通信中的極化失配現象,提高通信質量。

［1］王衛民 頻率復用通信系統中的交叉極化問題［J］.微波學報,第21卷增刊,2005(4):157-159.

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

［3］車晴.衛星廣播中線極化匹配問題的理論分析［J］.北京廣播學院學報(自然科學版),1998(2):8-16.

［4］王道平,陳輝華,何敏.“動中通”接收天線極化匹配及跟蹤技術研究［J］.現代電子技術,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研究。