Ku波段卫星通信降雨的交叉极化研究

王蕾蕾，李 萍，安合志，张文辉

(1.武警工程大学研究生大队，陕西西安 710086;2.武警工程大学通信工程系，陕西西安 710086)

随着通信技术和空间技术的发展，卫星通信发展迅速，成为重要的信息传输载体。但频谱分配日渐拥挤，对频谱资源的开发越来越受到人们的重视。目前广泛采用正交极化频率复用方法即利用极化隔离，把相互正交极化的两条信道安排在同一频段上，使频率利用率提高一倍。在这种情况下，两种不同的极化要满足一定的分辨率才能互不干扰。但由于各种原因，电波在传播过程中，极化面可能发生旋转，使相互正交的两个极化波，到达接收点后不完全正交，就产生了交叉极化现象，引起两条信道的相互干扰，发生串音，大幅影响了通信系统的质量和可靠性。在微波通信中，降雨是引起电波交叉极化的主要原因之一。所以，研究降雨引起的交叉极化效应有着重要的意义。

1 交叉极化的产生机理

当雨滴较大时，其外形一般为扁平的椭球体，在下落过程中，由于风等因素的影响，偏离波的传播方向，产生一定的倾斜角度θ，引起交叉极化。如图1所示，电波沿雨滴长轴和短轴的衰减各不相同，于是产生差分衰减

式中，α2与α1分别表示电波沿x轴和y轴传播的衰减值，其中α2＞α1。同时电波沿雨滴x轴和y轴的相移也不一样，产生差分相移

式中，β1与β2分别表示电波沿雨滴y轴和x轴传播时的相移［1］。

令电波传播方向与雨滴长轴之间的夹角为α。当α=0°即线极化波沿雨滴的长轴方向传播时，电场的极化方向在雨滴的圆形横截面内，电波通过雨滴虽其振幅和相位都有变化，但其极化状态保持不变。而当电波以α=90°方向入射到雨滴上时，电场E1在平行和垂直于雨滴长轴方向上的两个分量，会有不同程度的衰减和相移，分别称为差分衰减和差分相移，使得波的极化状态发生偏转，引起交叉极化现象。显然交叉极化的程度与α有关，当α=90°时交叉极化现象最严重［2］。如图1所示，是入射波电场，它在雨滴长轴和短轴方向上的两个分量受到雨滴的作用而发生不同的衰减和相移，ER为经雨滴作用后的场量，其分量E11为主极化分量，E12为交叉极化分量。

这种现象对单极化传输系统影响并不大，但对于正交极化复用的双极化传输系统，会造成极化隔离度降低，导致正交极化的信号互相干扰加大交叉极化现象，对线极化和圆极化都有影响。

图1 雨滴的去极化作用(α=90°的情况)

通常使用交叉极化分辨率XPD或是交叉极化隔离度XPI来描述线极化波的去极化程度，定义为

2 交叉极化的预报模式

目前应用广泛的ITU－R交叉极化衰减预报模式是基于一阶小变量近似导出的

式中，CA=V(f)lgAp，p为年平均时间概率，年平均时间概率的含义是在一年中p%的时间内XPD不超过XPD(p%);Ap为p%时间概率上雨衰减量，其中0.01%时间概率雨衰减:A0.01=γRLE，特征衰减:γR=k(R0.01)α

Cice=XPDrain×(0.3+0.1lgp)/2为冰晶体产生的去极化衰减;Cf=30lgf为频率因子;Cτ=－10lg{1－0.484［1+cos4τ］}为线极化改善因子，其中 τ为极化面倾角即电波与水平面夹角，τ在0°～45°范围内，Cr从15 dB逐渐递减为0，即XPD减小，极化干扰逐渐增大;τ在45°～90°范围内，XPD逐渐增大，极化干扰逐渐减小;Cθ=－40lg(cosθ)为地理增益因子;θ为地球站对卫星的仰角，仰角越大，XPD也越大，极化干扰越小;Cσ=0.005 2σ2为雨滴倾角因子，σ为雨滴倾角的方差(Degrees);σ越大，XPD就越大，极化干扰越小。对应1%，0.1%，0.01%和0.001%时间概率，ITU －R 给出 σ 取值分别为 0°，5°，10°和 15°，考虑到数据库中其他概率点的数据以及实际工作的需要，根据ITU－R所给数据，拟合了σ与p的函数关系

其中，R表示降雨率;R0.01表示当地平均年0.01%时间概率点降雨率;hs表示地球站海拔高度;LE为雨顶的有效路径长度;hR表示雨顶高度;θ表示仰角;φ表示地球站纬度;f表示频率;Re表示地球等效半径。

3 极化衰减的计算

利用定点于134°E亚太6号Ku波段卫星参数，结合广州、南京、长春、西安等城市的降雨数据进行极化衰减量的分析计算，得到了在f=12 GHz时各站点不同极化0.01%时间降雨率时的衰减量。结果计算如表1所示。

4 极化补偿网络

为补偿交叉极化引起的衰减，可以通过采用极化补偿系统弥补。采用两种方法［5］如图2所示，图中OMT为正交模变换器。

在组合A中，90°极化器可以使入射电场中的两个相互正交分量之一产生微分相移，从而产生线极化波，然后用180°极化器旋转该线极化波，得到原来方向上的线极化波。在组合中，第一块极化器将入射的椭圆极化波进行90°移相，变成另一椭圆极化波，变换后的椭圆极化波经过第二块极化器进行90°移相后，即成为原来方向上的线极化波。这两种方法都可以把交叉极化鉴别率约由20 dB补偿到约30 dB。

表1 时典型站点不同极化下的衰减量

图2 极化补偿网络

5 结束语

从以上分析可知，在Ku波段降雨引起的交叉极化衰减现象严重，因此，必须在广泛研究分集技术、自适应补偿、功率控制法、码速率自适应法、智能天线等新技术基础上建立精度更高、操作更简便的预报模型［6］，为Ku波段卫星抗恶劣气象环境的技术研究及硬件设计提供良好的传输参数。

［1］阎毅，黄际英.双极化频率复用信道交叉极化效应的预测方法［J］.烟台大学学报，1994(12):133－137.

［2］周朝栋，王元坤，杨恩耀.天线与电波［M］.西安:电子科技大学出版社，1994.

［3］王卫民.频率复用通信系统中的交叉极化问题［J］.微波学报，2005(21):157 －159.

［4］Recommendation.Propagation data and prediction methods required for the design of Earth－space telecommunication systems［S］.USA:Recommendation ITU －R P.618 －9，2007.

［5］张世宏.降雨对卫星电视信号的影响及其补偿［J］.山东电子，1988(3):32－33.

［6］黄际英，陈新莲，唐映德，等.Ka波段降雨衰减与去极化效应［J］.西安电子科技大学学报，2002，28(12):733－736.