卫星通信天线自动极化调整技术

2012-01-14路志勇

无线电工程 2012年7期

刘英，路志勇，武伟

(1.中国交通通信信息中心，北京100011;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

在卫星通信领域，Ku频段卫星通信大多采用线极化的工作方式。线极化工作方式下，地面卫星通信天线必须具备极化调整的能力，以使地球站所定义的线极化和卫星所定义的线极化匹配［1，2］。传统的极化调整方式采用馈电波导的机械转动［3］，在某些低轮廓卫星通信天线设计中，无法采用馈电波导旋转的方式进行极化调整，因此如何实现自动极化调整是该类型天线设计的关键技术之一。根据任意极化波可由空间2个正交的线极化波合成的理论，提出了一种自动极化调整方法，通过控制2个正交线极化波的幅度比例，可以获得任意极化方向的线极化波，实时实现自动极化调整，有效解决移动通信中的极化失配现象，改善通信质量。

1 极化角概念

卫星传送来的水平极化波中的电场矢量与地面的夹角称为极化角，如果卫星接收地点在正南方向(接收点经度与卫星经度相同)，水平极化波的电场正好平行于接收点的地平面，此时极化角为0°。而在其他经度线上，水平极化波的电场矢量总与接收点的地平面存在一个夹角——极化角P。分析表明，极化角的大小与接收地点的经度、纬度有关。为保证极化匹配，必须根据接收地的极化角来调整高频头输入波导方向。接收地极化角的计算公式为［4］:

式中，卫星的经度、纬度分别为θs和φs;地球站的经度、纬度分别为θe和φe。

2 自动极化调整原理及方法

2.1 线极化波的合成

极化是指电场的瞬时分量随时间变化的方式或方向，其中电场方向端点轨迹的旋转方向规定为沿着波传播方向观察的旋转方向。其轨迹有直线、圆和椭圆，因此对应极化方式有直线极化、圆极化和椭圆极化，这里只分析线极化波的合成［5］。在z=0平面，设

式中，Ex，Ey等于分量相位相同或相差180°，则合成波电场表示直线极化波，令φ=nπ得:

合成电场大小为:

E(t)矢量与x轴的夹角为:

可见，E(t)的大小随时间变化，但端点的轨迹始终保持与x轴的夹角为一常数，轨迹为一直线，故称直线极化。如果将E(t)的2个分量看成2个直线极化波，如图1所示，可得出这样的结论:2个直线极化波可以合成任意取向的线极化波;反之，任意取向的线极化波都可以分解为2个直线极化波。

图1 电场分解

2.2 双通道极化调整工作原理

通过天线接收过程简要介绍一下双通道极化调整的工作原理。当前卫星通信广泛采用极化复用方式，即在同一频带内利用不同极化波束传送两路信号。假设天线与卫星的极化夹角P，这样双极化天线的水平极化部分Eh和垂直极化部分Ev都会收到卫星的下行水平极化波E1和垂直极化波E2，如图2所示。

图2 极化复用卫星信号下行矢量分解

自动极化调整模块组成框图如图3所示。天线1和天线2为性能相同但极化正交的2个天线，即天线1为天线水平部分，天线2为天线垂直部分，该天线将接收下来的信号3和信号4通过电桥分为信号5和信号6两路，控制2个正交极化分量的相位，利用场分量的矢量合成将大小相同、相位相反的信号到达水平极化输出端口9时抵消，即将E2h和E2v抵消，即消除了卫星的垂直极化信号E2;卫星水平极化信号E1h和E1v在端口9同相合成，恢复得到卫星的水平极化信号E1。同样卫星垂直极化信号在端口10得到恢复，并且端口10消除了水平极化信号。

图3 自动极化调整模块组成

实际上，图3中的2个3 dB电桥和2个移相器构成了可变合路器/功分器［6］。图3中输出端的3 dB电桥可以用一个功分器代替，但是代替后只有一个输入端口，即只能接收一种极化的信号，而不能同时接收2个极化正交的信号。

3 自动极化调整实现方法及实测结果

3.1 工程实现方法

采用衰减器的极化调整模块内部组成如图4所示。

图4 自动极化调整模块内部组成

上述实现双通道极化调整的关键器件是可变功分器。可变功分器可以通过2个3 dB电桥(或1个3 dB电桥加1个功分器)加2个移相器来实现，工程上可以通过数控衰减器直接调整2个分路的幅度大小来实现。

该模块具有2路输入和1路输出，2路输入分别连接水平极化天线和垂直极化天线。该模块在每一路都具有6位移相器(最小步进5.625°)和6位衰减器(最小步进0.5 dB)，可以调整水平极化天线和垂直极化天线之间的幅度和相位，实现自动极化调整。极化调整模块中设置了放大器，其主要目的是补偿数控移相器和数控衰减器带来的衰减，实现整个射频通道的电平要求及系统信噪比要求。

在工程上，由于极化调整模块中合路器之前的2路都具有放大器、数控移相器和数控衰减器等器件，难以保证一致性，尤其是相位一致性，在模块中设置移相器的主要目的也是保证2路输入信号的相位一致性。为保证在各种极化角情况下2路具有相同相位和一定比例的幅度，在此需要进行各种极化角情况下的校准过程，即得到极化角与极化调整模块中移相器与衰减器设置的关系。

极化校准过程如下:

①指示天线偏转θ角时，被校准天线对准指示天线接收信号，分别测定单独使用天线1(即衰减器2为最大衰减值时)和单独使用天线2输出端口的接收电平值;

②调整数控衰减器1或衰减器2，将2个天线接收信号的电平调整一致，调整后衰减器1和衰减器2分别为A1和A2;

③改变移相器2的相位值，测量输出端口的接收电平值，记录接收电平值达到最大值时的相位值φ0;

④ 移相器2的相位值设置成φ=φ0+180°，记录电平值C(dB)，该值为极化角在θ±90°(当θ＞0时取正号，当θ＜0时取负号)时的交叉极化电平;

⑤ 将指示天线偏转90°，即转到θ±90°位置，移相器2的相位值仍为φ=φ0+180°，记录电平值，此时为主极化电平M(dB);

⑥ 得到极化角为θ±90°时，衰减器1、衰减器2以及移相器2对应值A1、A2和φ，即此时极化调整模块中这些器件调整到该状态，天线就形成θ±90°方向的极化状态，天线交叉极化隔离度为:M-C(dB)。