卫星通信电调极化技术研究

中国电子科技集团公司第五十四研究所天线伺服专业部 王焕菊

卫星通信电调极化技术研究

中国电子科技集团公司第五十四研究所天线伺服专业部 王焕菊

文中针对卫星通信中极化失配产生的通信质量差等问题，提出了一种电调极化技术。该技术通过控制一对正交线极化波的幅相比例关系，可实时进行极化调整。经理论分析和实际测试，验证了该技术的有效性。

极化；卫星通信；极化隔离度

1 引言

卫星通信系统中,为充分利用频率资源,增加转发信号的数量,Ku波段多采用正交线极化方式,实现频率复用。若地面通信设备极化调整不当,出现极化失配,则会产生极化损耗、交叉极化干扰等问题。具体而言,对于单极化天线,若极化失配,则会产生极化损耗,使信号功率降低;对于双极化天线,若极化失配,则不仅会产生极化损耗,降低信号场强,还会使同频正交信号相互干扰;对于接收信道,若极化不匹配,则会使接收信号功率下降,信噪比降低,严重时接收机无法接收到卫星信号或解调不出卫星信号,使通信中断;对于发射信道,若极化不匹配 ,则会使发射信号交叉极化隔离度差,直接对同一转发器内其它地球站的同频正交信号造成干扰。因此,研究卫星通信系统中极化调整技术对于提高通信质量、实现频率复用有十分重要的现实意义。

2 极化的定义和极化角的产生

一般用电磁波的电场强度矢量的矢端在空间固定点随时间变化的轨迹来表示电磁波的极化状态。若电场矢量的端点随时间变化的轨迹是直线时,该电磁波就是线极化波。线极化分为水平极化和垂直极化,它们都是相对于某一参考面而言的。地面接收天线的极化状态是以卫星接收点的地平面作为基准,若天线馈源的电场矢量与该地平面平行,则为水平极化;反之若与该地面垂直,则为垂直极化。而卫星发射天线的极化状态的基准是卫星轴系,若电场矢量平行于卫星轨道平面,则为水平极化;若垂直于卫星轨道平面,则为垂直极化。可见由于接收天线的极化状态与发射天线的极化状态采用的参考系不同,导致地面接收天线极化方向相对于卫星发射天线必须旋转一定的角度,才能实现极化匹配,而旋转的这个角度就是极化角。

具体而言,假定卫星波束中心与卫星同经度,那么与星下点(即卫星在地球上的投影,该点位于赤道上,所在经度与卫星经度相同)同经度的非星下点接收天线的极化不需要调整,就能与很好地匹配卫星辐射的电磁波;而与星下点不同经度的非星下点接收天线的极化状态必须旋转一个角度,才能较好地匹配卫星辐射的电磁波。如图1所示:

图1 极化角的产生

工程上,假定卫星波束中心与卫星经度相同或相差较小,则地面接收天线的极化角P可用下式计算:

从公式1可以看出极化角与卫星与接收站的经度差以及接收站所在的纬度有关。相同经度的接收站,极化角为0;相同纬度的地球站,经度差越大,极化角越大。

3 交叉极化隔离度、极化损失与极化角之间的关系

首先以双线极化接收天线为例,说明交叉极化隔离度(XPI)与交叉极化鉴别率(XPD)的区别。如图2所示,天线收到的水平分量为:

天线收到的垂直分量为:

交叉极化隔离度(XPI)的定义为信号在本信道产生的主极化分量与在另一信道中产生的交叉极化分量之比,即:

交叉极化鉴别率(XPD)的定义为本信道的主极化分量与另一信号在本信道产生的交叉极化分量之比,即:

从定义可以看出,交叉极化隔离度用来衡量本信道产生的交叉极化分量对另一信号的影响,而交叉极化鉴别率用来衡量另一正交信道产生的交叉极化分量对本信道的影响;不论单极化还是双极化系统都存在交叉极化隔离度,而交叉极化鉴别率仅存在于双极化系统。交叉极化隔离度通常用于衡量发射端的干扰状况,而交叉极化鉴别率则用于衡量接收端的被干扰情况。在双极化系统中,通常有XPIXPD,而传输媒质也是互易的,因此,数值上E1E2。故在卫星通信地球站入网的实际测试工作中,不再区分XPI与XPD[1]。

图2 双极化接收天线示意图

由E1E2,可得交叉极化隔离度与极化角之间的关系为:

极化损失与极化角之间的关系为:

由公式(6)、(7)可得如下曲线,如图3所示:

图3 极化隔离度、极化损失与极化角之间的关系图

可见,若极化失配,虽然极化损失不大,但交叉极化隔离度已大大降低。

4 电调极化原理及实现

4.1 电调极化原理

简言之,电调极化就是采用数字电路控制两个正交线极化波的幅相比例,来获得任意极化状态的电磁波。具体而言,如图2所示,假设载体上的接收天线与卫星的极化夹角为,载体上的接收天线为一对正交的线极化天线,则接收天线收到的主极化波的电场矢量为,交叉极化波电场矢量为;天线的水平极化电场分量为,垂直极化电场分量为。

其中,天线的水平极化收到的主极化波的水平分量:

天线的水平极化收到的交叉极化波的水平分量:

天线的垂直极化收到的主极化波的垂直分量:

天线的垂直极化收到的交叉极化波的垂直分量:

则天线的水平极化为:

天线的垂直极化为:

综上所述,可以看出,当主极化波与交叉极化波同时进入接收天线时,经过上述算法的处理,就可以把交叉极化波消除,从而达到极化匹配的目的。

4.2 电调极化实现

工程中,采用极化调整模块来实现电调极化,极化调整模块组成框图如图4所示。

进行极化状态调整时,天线水平极化分量输入经过衰减器时保持不变,即为:

综上所述,双极化天线接收下来的两路正交极化波,经极化调整模块之后,可滤除交叉极化分量,实现极化匹配。

图4 极化调整模块组成原理框图

图5 接收天线极化校准设备连接示意图

5 实测结果

5.1 测试方法

按照图5所示,连接各仪器设备,校准过程如下:

(2)分别测试待测天线水平极化通道、垂直极化通道接收的功率值;然后调整衰减器,使得两通道接收的功率值一致;

(3)电调移相器,使得两路信道接收到的功率和最大,即得主极化功率M(dBm);

(4)主极化通道移相器反相180°,即得交叉极化功率C(dBm);

(5)此时天线的交叉极化隔离度为M-C(dB)。

5.2 测试结果

根据以上测试方式,测得不同极化状态下的极化隔离度:极化角为±90°时,极化隔离度均大于30dB;极化角为±45°时,极化隔离度均大于18dB;极化角为0°时,极化隔离度大于23dB。经测试,全频带不同极化状态下的极化隔离度均大于18dB,可满足通信系统要求。

6 结束语

文中提出了一种极化调整方案,通过控制两个正交线极化波的幅度和相位,实时对极化角进行调整。该极化校准过程中波控计算机通过USB-GPIB转接卡与频谱仪连接起来,实时读取、存储测试结果,又通过CAN总线控制极化调整模块中的移相器、衰减器,实现了自动极化调整。经验证该方法快速、高效,可有效解决卫星通信中的极化失配现象,提高通信质量。

［1］王卫民 频率复用通信系统中的交叉极化问题［J］.微波学报,第21卷增刊,2005(4):157-159.

［2］沈晓卫,姚敏立,林志强,毕清波.“动中通”变极化系统研究［J］.通信技术,2007(9):5-7.

［3］车晴.卫星广播中线极化匹配问题的理论分析［J］.北京广播学院学报(自然科学版),1998(2):8-16.

［4］王道平,陈辉华,何敏.“动中通”接收天线极化匹配及跟踪技术研究［J］.现代电子技术,2009(12):103-105.

王焕菊（1982—），女，河北石家庄人，博士研究生，主要从事射频电路与微波技术研究。