卫星通信中交叉极化干扰现象与处理方法

谷平反，崔 伟

（武警石家庄士官学校，河北石家庄 050061）

随着现代通信技术、计算机技术、航天技术和半导体集成电路技术的不断发展，卫星通信正在以日新月异的速度发展。卫星通信有许多其他通信方式无法替代的优点，如：通信距离远、建立成本与通信距离无关、多址链接、通信容量大等。但由于通信体制的原因，卫星通信也存在一些典型的干扰：日凌干扰、邻星干扰、反极化干扰、互调干扰、相邻信道干扰等。而这些干扰当中交叉极化干扰人为因素大，造成的影响较严重，因此认识交叉极化干扰产生的原因，熟悉交叉极化干扰的特征，掌握减少交叉极化干扰的方法就成了当务之急［1－4］。

1 交叉极化干扰产生的原因

1.1 极化角

天线中现有的极化方式为线极化和圆极化两种。线极化方式又分为水平极化和垂直极化，圆极化分为左旋极化和右旋极化。以线极化为例（圆极化不需要极化角调整），其中“水平”和“垂直”一般指的是电磁波中的电场矢量方向同地球表面的夹角。电场矢量方向如果同地球表面夹角为90°，则为垂直极化，如果电场矢量方向平行地球表面，则为水平极化。为保证信号的有效辐射和接收信号强度最大，要求卫星发射天线与接收天线满足极化匹配的条件。

在距离近的情况下，发射机和接收机可以近似认为在同一水平面上，因此只要满足极化匹配的条件就可以达到接收信号强度最大的要求，但是在距离远的情况下就必须要考虑地球曲率的影响，由于地球呈球形，不同的地面站又处在不同的经纬度，卫星地面站天线同卫星天线的极化方向参考平面就不一样，如图1所示。

图1 极化角的产生Fig.1 Generation of polarization angle

假定卫星波束中心与卫星同经度，那么与星下点同经度（但纬度不同）的非星下点接收天线能很好地与卫星辐射电磁波匹配，而与星下点不同经度的非星下点接收天线的极化必须旋转一个角度才能与卫星电波相匹配，这个旋转的角度就叫做极化角，这个极化角也等于星下点的接收天线所在的地平面与非星下点的接收天线所在的地平面之间的交角。

1.2 极化隔离频率复用技术

为了充分利用卫星转发器的频率资源，卫星转发器通常采用极化隔离频率复用技术，它是指2个波束的指向区域可能是重叠的并且使用相同的频率，但通过使用不同的极化方式来实现信号之间的隔离，即一个信号波用水平极化，另一个信号波用垂直极化；或一个信号用右旋极化，另一个信号用左旋极化。鑫诺5号卫星Ku频段的16个转发器就采用了水平与垂直的双线极化［5］，如图2所示。

图2 鑫诺5号Ku波段频率计划表Fig.2 Sino 5’s frequency schedule in Ku－waveband

图2中上行链路的2A 和2B 就会有频率的重叠，只是发射信号的极化方式不同。

地球站接收或发射卫星信号时，需要采用相应的极化方式，并将天线极化角调整到最合适的位置，使接收信号最强，有效发射功率最大，保证信号不泄漏到另外一个极化。信号使用的极化称为主极化，另外一个极化称为交叉极化或反极化。由于极化角调整不合适，信号泄漏到另外一个极化，以至干扰其他极化同频的用户造成了交叉极化干扰。

2 交叉极化干扰的特征及造成的后果

交叉极化干扰一般可以分为上行交叉极化干扰和下行交叉极化干扰。上行交叉极化干扰一般是地面站用户发射信号时，未调整好极化角或发射功率过高造成的。下行交叉极化干扰是指卫星转发器发射的信号极化隔离度不够。一旦卫星发射上空，下行交叉极化干扰不容易调整，人为因素不大，这里主要关注上行交叉极化干扰［6－10］。

2.1 交叉极化干扰的特征

交叉极化发生时，它的干扰幅度一般比正常载波要低，频谱上表现为在反极化的同频有相同频谱的载波存在。一般产生的原因是用户发射的极化角未调整好，导致信号泄漏到另外一个极化的转发器。交叉极化干扰频谱图见图3。

图3 交叉极化干扰频谱图Fig.3 Frequency spectrum of cross polarization interference

从图3中可以看到12.334 35GHz附近，由于B转发器的用户1未调整好极化角，产生信号的泄漏，使得A 转发器在同频处产生了一个幅度比正常载波低的反极化干扰。相同的是在12.336 75GHz和12.331 15GHz附近由于A 转发器用户2和用户3的原因，在B 转发器相同频率的位置上产生了反极化干扰。

2.2 交叉极化造成的后果

交叉极化干扰会影响3类用户：网内主极化用户本身、相邻频段网内其他用户和另外一个交叉极化转发器同频段的用户。

一个典型的实例，某集团网用户在使用卫星建立视频通信的过程中，发现有马赛克、卡顿的现象，当时采样的频谱图如图4所示。

图4 采样频谱图Fig.4 Sampling frequency spectrum diagram

A 转发器上的用户1和用户3在发射信号时，由于极化角调整不合适，产生交叉极化干扰。用户1比用户3 产生的交叉极化干扰更严重，在用户1频谱的边缘已经产生了“阶梯”。由于用户1使用的频段周围没有其他用户，不会对网内其他用户产生影响，但是由于信号的功率一部分泄漏到另外一个极化，必然会影响自己的正常通信。同时这部分泄漏到另外一个极化的信号，对于背面的B 转发器来说，就是噪音，毫无疑问也会影响到B 转发器用户使用同频率通信。用户3虽然交叉极化干扰并不是很严重，但由于用户2使用的频率离用户3较近，交叉极化在影响用户3自己的同时，也改变了用户2的频谱结构，影响到了用户2的正常使用。此时用户1通信效果最差，误码率大，无法正常进行通信，用户3表现为偶尔的马赛克的出现，但用户2和用户3总体来说还是可以通信的。用户1此时错误的认为，通信效果差是因为发射功率低，就加大了自己的发射功率，导致更大的交叉极化信号泄漏到B 转发器，同时自身边缘的“阶梯”大量出现，甚至影响到了本网内的用户2和用户3，使原本还可以正常通信的用户2和用户3彻底无法通信。当时的采样频谱图如图5所示。

图5 用户1增大发射功率后的频谱图Fig.5 Frequency spectrum after increasing the transmitted power

3 交叉极化干扰的处理方法

毫无疑问交叉极化干扰造成的影响较大，不仅会影响到自己（主极化用户、网内相邻频段用户），还会影响到别人（交叉极化转发器同频段用户），因此尽量减小交叉极化干扰的产生，对保证卫星通信的效果起到关键性的作用。减小交叉极化干扰的主要处理方法如下。

3.1 入网前，严格进行开通测试

地面站在入网前，必须要进行严格的极化隔离度和功率标定两项测试。极化隔离度是信号主极化分量和交叉极化分量功率之比。这个比值越大，说明天线极化角调整的越合适，泄漏到交叉极化的信号就越小。调试的目的就是为了尽量加大主极化分量，减小交叉极化分量。功率标定是为了转发器的工作能在线性区域，保证不同的用户载波具有相同的功率谱密度，而对地面站的发射电平进行标定。

3.2 入网后，定期检查，排除隐患

即使通过开通测试满足要求的地球站，随着时间的推移，也会由于各种原因造成极化隔离度下降带来反极化干扰。因此要定期对地面站进行检查，检查的项目有：

1）地球站天线指向是否误差过大；

2）极化器是否挪位，由于各种原因造成极化器偏离原来的位置；

3）天线馈源膜是否损坏，馈源内是否填充其他物质；

4）地球站发射功率是否过大；

5）地球站搬迁后，需要重新进行极化隔离度和发射功率的标定。

3.3 建链时，规范操作，及时调整

为了保证每次建链的通信效果，操作时要规范，并且要及时调整。在实际的极化角调整中，可分以下3步。

1）粗调 先按计算所得的仰角、方位角和极化角调整天线指向及馈源旋转角度，使仰角、方位角最佳并锁定天线指向。

2）细调 用频谱分析仪、AGC电压或卫星接收机中的信号强度指示条等方法精确调整。由于频谱仪价格高，所以在实际操作中都使用方便简单的AGC电压法和卫星接收机中的信号强度指示条法。

3）及时调整 建立链路的通信过程后，地面站不停机，由卫星公司随时监测地面站的极化隔离度的大小。地面站操作人员反复调整极化角使“极化隔离度”稳定在一个最大数值上，之后固定极化角、标注位置，完成调整。

4 结 语

操作卫星地面站时，只要做到严格遵循入网开通测试、日常操作规程，定期进行检查维护，就可以将影响卫星通信中人为因素较大的交叉极化干扰现象减到最小，使卫星通信在现实的生活和工作中发挥更大的作用。

／References：

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