数字卫星接收天线极化方式分析和调整

2015-07-16林集敏

新媒体研究 2015年1期

林集敏

（国家新闻出版广电总局2023台，海南三亚 571800）

在我国卫星发展的早期，由于当时世界各国卫星数量不多，频道占用不拥挤，上星节目也不多，卫星极化较为简单，极化方式比较单一，极化问题不会对信号接收产生较大的影响，因而在接收天线的安装、调试过程中，极化调整常常不被重视。随着我国经济的快速发展，世界格局发生巨大变化，卫星及上星节目数量越来越多，频道越来越拥挤，所以极化复用作为提高频道利用率手段，成为最有效的解决方法。

1 极化方式介绍

1.1 极化方式分类

决定极化方式的不是卫星接收天线，而是卫星信号的极化方式。极化反映了电磁波电场矢量随时间变化的规律。当卫星信号的电场矢量运行轨迹成一条直线时，这样的电波叫做线极化电波，当星信号的电场矢量运动轨迹平行地平面时，这样的电波叫做水平极化电波，当星信号的电场矢量运动轨迹垂直地平面时，这样的电波叫做垂直极化电波。沿着电波传播的方向看，电场矢量端点的运行轨迹为一个圆，这样的电波叫圆极化。圆极化分为左旋圆极化、右旋圆极化。沿着电波传播的方向看，电场矢量端点的运行轨迹为一个椭圆，这样的电波叫椭圆极化。线极化和圆极化是椭圆极化的两种特殊的变化形式。但是，通常在卫星广播和通信领域，一般都不采用椭圆极化的方式，因为在一个周期内，电场的大小和方向都发生变化，接收端不容易接收信号，接收设备也会变的复杂。

1.2 极化隔离

为了科学合理地利用卫星频率资源，提高带宽利用率，在数字卫星广播通信中，采用的最经济的方法就是频率复用技术，即在同一频带内传送两套不同的信号，为了确保两套信号在传输互相不影响、干扰，必须要满足两个卫星信号之间的相位相差九十度的条件，这种卫星信号的极化隔离方法，可以让两种卫星信号之间不会发生互相干扰。极化隔离的方法同时能适用于线极化和圆极化。

在线极化中包含两种极化方式，即垂直极化和水平极化。这两种极化方式是相互正交的，也就是说，垂直极化的信号相位矢量在水平方向的投影分量为0，水平极化的信号相位矢量在垂直方向的投影分量为0，卫星接收天线无法同时接收水平和垂直两种极化方式的信号。线极化方式是区域性广播通信卫星中常用的极化隔离方式，优点是接收设备简单，造价低，但工程时，接收天线调整调试过程相对复杂，需要一定的专业知识。

在圆极化中也采用极化隔离方式进行信号传输，左旋极化的信号与右旋极化的信号互相正交，两个信号转换成线极化后，在对方的投影分量也为0，所以圆极化接收天线只能同时接收一种圆极化信号。洲际卫星普遍采用圆极化方式，优点是接收天线调整简单，但设备相对复杂一些。

需要说明的是，圆极化波可以分解为两个线极化波，一个垂直极化，另一个水平极化，所以圆极化天线不但可以接收线极化波，而且线极化天线也可以接收圆极化波，但这样的接收方式，会造成3dB的损耗。

2 数字卫星接收天线的极化调整

由于洲际卫星和区域性卫星采用的极化方式不同，加之线极化与圆极化之间可以互相转化接收，所以，一般卫星接收天线可以接收线极化信号和圆极化波信号，以便提高天线的利用率。

2.1 接收圆极化卫星信号的调整方法

洲际卫星大多是圆极化方式，在卫星接收天线中，广泛采用使用喇叭天线作为馈源，而喇叭天线的核心是一个圆波导，之所以采用圆波导，是为了确保卫星接收天线既能圆极化信号，也能接收线极化信号，避免因卫星信号极化类型改变后造成天线硬件的大幅度改动。所以圆波导的结构设计是完全对称的。作为天线的一部分，馈源是通过法兰盘与高频头连接在一起的，由于高频头的输入端为矩形波导，只能接收线极化波，因此在馈源内部必须设有一个圆矩变换段，将圆波导逐步过渡到矩形波导。馈源喇叭接收的是圆极化波，就必须在高频头前改变信号的极化类型，才能让只能接收线极化的高频头接收变换后的圆极化。由于圆极化波是可以分解成两个等幅且极化隔离的线极化波，所以只有通过改变两个线极化波的相位差，设法同相，才可以被矩形波导的高频头接收。

在卫星接收天线中采用90°移相器实现圆极化到线极化转化的。常用的转化方法有介质移相和销钉移相两种方法，介质移相用于前馈天线，销钉移相用于后馈天线。介质移相原理是：采用一片用高氯化铝瓷或聚四氟乙烯制作的低损耗的介质片，固定在馈源的圆波导内，方向是圆波导的直径方向，这样当平行于介质片的电场和垂直于介质片的电场通过介质片时，由于介质片的电磁特性导致介质片对平行性介质的电场与对垂直于介质的电场的影响大不相同，导致两个方向的电场的相位速度发生改变，平行于介质片的电场相位速度改变较少，可以忽略不计，而垂直于介质的电场的相位改变很大，相位产生90°相移，从而实现圆极化向线极化的转变。而销钉移相对用于后馈馈源，一般是在波导内，安装奇数对销钉，销钉的深度可以调整。改变销钉的深度，可以改变平行于销钉排列方向的电场的电抗性质，电抗特性可以从容性变成感性，也可以从感性变成容性；而垂直于销钉排列方向的电场分量影响很小，把销钉调整到合适位置，就可以实现平行于销钉排列方向的电场发生90°移相，从而实现圆极化向线极化的转变。通过调整极化器与地平面的角度，可以改变接收天线接收卫星信号的极化方式，这样一副天线就能同时接收到不同极化方式的卫星信号了。

在接收圆极化的卫星信号时，接收天线的极化调整相对会简单，只要将波导的旋向调节正确便可顺利接收，但还需要特别注意的是圆极化信号在转化为线极化波时，其极化方向是与高频头矩形波导的窄边方向平行的。卫星接收天线接收信号必须经过反射，其中前馈式接收天线要经过一次反射，后馈式天线要经过二次反射，经过一次反射的前馈天线，反射波的旋向与入射波的旋转方向正好相反，左旋波成为右旋波，反之亦然。需要经过两次反射才能接收的后馈天线，圆极化的旋向不变。此外站在接收天线的后方，沿着信号传播方向看去，由于观察方向正好与信号传播方向相反，因而，右旋极化的卫星信号旋转方向应该为逆时针，左旋极化的卫星信号旋转方向应该为顺时针。

2.2 接收线极化卫星信号的调整方法

在接收线极化波时，卫星信号的线极化模式是由矩形波导口的窄边方向决定的。当卫星接收天线需要接收水平极化信号时，就把波导口的窄边调整到与地平面平行；当卫星接收天线需要接收垂直极化信号时，就把波导口的窄边调整到与地平面垂直。此外调整接收线极化卫星信号的卫星接收天线时，除需要调整波导口的窄边外，还需要调整极化角。

卫星接收天线的极化角是指接收点的地平面与接收天线口面的交线和电波的水平极化矢量之间的夹角。卫星信号波束发射的线极化波是以卫星的轴系为基准定义的，而卫星接收天线的线极化方向则以地平面为基准，只有卫星接收天线与卫星定点经度相同，两者的角度才一致，如果接收地点的经度与卫星的经度不同，两者之间就会出现夹角，卫星发射的线极化波与接收点的地平面就产生倾斜，与卫星定点经度相差越大夹角就越大，所以为了实现极化匹配，卫星接收天线必须相对于地平面扭转一个角度（即极化角α），使之与卫星信号波束的线极化波的保持平行，才能使接收卫星信号的场强达到最大，不同的线极化波束之间的干扰达到最小。一般情况下，在北半球，当卫星位于正南方向时，极角为0°；当卫星位于正南偏西方向时，极化角大于0°；当卫星位于正南偏东方向时，极化角小于0°。对应到具体调整卫星接收天线就是：面对天线正面，对于前馈天线，当极化角大于0°，矩形波导向逆时针转动；当极化角小于零度，矩形波导则向顺时针转动；而对于后馈天线来说，由于波导位于天线后面，矩形波导口转动方向与前馈天线刚好相反。