衛(wèi)星通信天線自動極化調(diào)整技術(shù)

劉 英，路志勇，武 偉

(1.中國交通通信信息中心，北京100011;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，Ku頻段衛(wèi)星通信大多采用線極化的工作方式。線極化工作方式下，地面衛(wèi)星通信天線必須具備極化調(diào)整的能力，以使地球站所定義的線極化和衛(wèi)星所定義的線極化匹配［1，2］。傳統(tǒng)的極化調(diào)整方式采用饋電波導(dǎo)的機(jī)械轉(zhuǎn)動［3］，在某些低輪廓衛(wèi)星通信天線設(shè)計中，無法采用饋電波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行極化調(diào)整，因此如何實現(xiàn)自動極化調(diào)整是該類型天線設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)任意極化波可由空間2個正交的線極化波合成的理論，提出了一種自動極化調(diào)整方法，通過控制2個正交線極化波的幅度比例，可以獲得任意極化方向的線極化波，實時實現(xiàn)自動極化調(diào)整，有效解決移動通信中的極化失配現(xiàn)象，改善通信質(zhì)量。

1 極化角概念

衛(wèi)星傳送來的水平極化波中的電場矢量與地面的夾角稱為極化角，如果衛(wèi)星接收地點在正南方向(接收點經(jīng)度與衛(wèi)星經(jīng)度相同)，水平極化波的電場正好平行于接收點的地平面，此時極化角為0°。而在其他經(jīng)度線上，水平極化波的電場矢量總與接收點的地平面存在一個夾角——極化角P。分析表明，極化角的大小與接收地點的經(jīng)度、緯度有關(guān)。為保證極化匹配，必須根據(jù)接收地的極化角來調(diào)整高頻頭輸入波導(dǎo)方向。接收地極化角的計算公式為［4］:

式中，衛(wèi)星的經(jīng)度、緯度分別為θs和φs;地球站的經(jīng)度、緯度分別為θe和φe。

2 自動極化調(diào)整原理及方法

2.1 線極化波的合成

極化是指電場的瞬時分量隨時間變化的方式或方向，其中電場方向端點軌跡的旋轉(zhuǎn)方向規(guī)定為沿著波傳播方向觀察的旋轉(zhuǎn)方向。其軌跡有直線、圓和橢圓，因此對應(yīng)極化方式有直線極化、圓極化和橢圓極化，這里只分析線極化波的合成［5］。在z=0平面，設(shè)

式中，Ex，Ey等于分量相位相同或相差180°，則合成波電場表示直線極化波，令φ=nπ得:

合成電場大小為:

E(t)矢量與x軸的夾角為:

可見，E(t)的大小隨時間變化，但端點的軌跡始終保持與x軸的夾角為一常數(shù)，軌跡為一直線，故稱直線極化。如果將E(t)的2個分量看成2個直線極化波，如圖1所示，可得出這樣的結(jié)論:2個直線極化波可以合成任意取向的線極化波;反之，任意取向的線極化波都可以分解為2個直線極化波。

圖1 電場分解

2.2 雙通道極化調(diào)整工作原理

通過天線接收過程簡要介紹一下雙通道極化調(diào)整的工作原理。當(dāng)前衛(wèi)星通信廣泛采用極化復(fù)用方式，即在同一頻帶內(nèi)利用不同極化波束傳送兩路信號。假設(shè)天線與衛(wèi)星的極化夾角P，這樣雙極化天線的水平極化部分Eh和垂直極化部分Ev都會收到衛(wèi)星的下行水平極化波E1和垂直極化波E2，如圖2所示。

圖2 極化復(fù)用衛(wèi)星信號下行矢量分解

自動極化調(diào)整模塊組成框圖如圖3所示。天線1和天線2為性能相同但極化正交的2個天線，即天線1為天線水平部分，天線2為天線垂直部分，該天線將接收下來的信號3和信號4通過電橋分為信號5和信號6兩路，控制2個正交極化分量的相位，利用場分量的矢量合成將大小相同、相位相反的信號到達(dá)水平極化輸出端口9時抵消，即將E2h和E2v抵消，即消除了衛(wèi)星的垂直極化信號E2;衛(wèi)星水平極化信號E1h和E1v在端口9同相合成，恢復(fù)得到衛(wèi)星的水平極化信號E1。同樣衛(wèi)星垂直極化信號在端口10得到恢復(fù)，并且端口10消除了水平極化信號。

圖3 自動極化調(diào)整模塊組成

實際上，圖3中的2個3 dB電橋和2個移相器構(gòu)成了可變合路器/功分器［6］。圖3中輸出端的3 dB電橋可以用一個功分器代替，但是代替后只有一個輸入端口，即只能接收一種極化的信號，而不能同時接收2個極化正交的信號。

3 自動極化調(diào)整實現(xiàn)方法及實測結(jié)果

3.1 工程實現(xiàn)方法

采用衰減器的極化調(diào)整模塊內(nèi)部組成如圖4所示。

圖4 自動極化調(diào)整模塊內(nèi)部組成

上述實現(xiàn)雙通道極化調(diào)整的關(guān)鍵器件是可變功分器?？勺児Ψ制骺梢酝ㄟ^2個3 dB電橋(或1個3 dB電橋加1個功分器)加2個移相器來實現(xiàn)，工程上可以通過數(shù)控衰減器直接調(diào)整2個分路的幅度大小來實現(xiàn)。

該模塊具有2路輸入和1路輸出，2路輸入分別連接水平極化天線和垂直極化天線。該模塊在每一路都具有6位移相器(最小步進(jìn)5.625°)和6位衰減器(最小步進(jìn)0.5 dB)，可以調(diào)整水平極化天線和垂直極化天線之間的幅度和相位，實現(xiàn)自動極化調(diào)整。極化調(diào)整模塊中設(shè)置了放大器，其主要目的是補償數(shù)控移相器和數(shù)控衰減器帶來的衰減，實現(xiàn)整個射頻通道的電平要求及系統(tǒng)信噪比要求。

在工程上，由于極化調(diào)整模塊中合路器之前的2路都具有放大器、數(shù)控移相器和數(shù)控衰減器等器件，難以保證一致性，尤其是相位一致性，在模塊中設(shè)置移相器的主要目的也是保證2路輸入信號的相位一致性。為保證在各種極化角情況下2路具有相同相位和一定比例的幅度，在此需要進(jìn)行各種極化角情況下的校準(zhǔn)過程，即得到極化角與極化調(diào)整模塊中移相器與衰減器設(shè)置的關(guān)系。

極化校準(zhǔn)過程如下:

①指示天線偏轉(zhuǎn)θ角時，被校準(zhǔn)天線對準(zhǔn)指示天線接收信號，分別測定單獨使用天線1(即衰減器2為最大衰減值時)和單獨使用天線2輸出端口的接收電平值;

②調(diào)整數(shù)控衰減器1或衰減器2，將2個天線接收信號的電平調(diào)整一致，調(diào)整后衰減器1和衰減器2分別為A1和A2;

③改變移相器2的相位值，測量輸出端口的接收電平值，記錄接收電平值達(dá)到最大值時的相位值φ0;

④ 移相器2的相位值設(shè)置成φ=φ0+180°，記錄電平值C(dB)，該值為極化角在θ±90°(當(dāng)θ＞0時取正號，當(dāng)θ＜0時取負(fù)號)時的交叉極化電平;

⑤ 將指示天線偏轉(zhuǎn)90°，即轉(zhuǎn)到θ±90°位置，移相器2的相位值仍為φ=φ0+180°，記錄電平值，此時為主極化電平M(dB);

⑥ 得到極化角為θ±90°時，衰減器1、衰減器2以及移相器2對應(yīng)值A(chǔ)1、A2和φ，即此時極化調(diào)整模塊中這些器件調(diào)整到該狀態(tài)，天線就形成θ±90°方向的極化狀態(tài)，天線交叉極化隔離度為:M-C(dB)。

3.2 實測結(jié)果

按照上述自動極化調(diào)整原理設(shè)計實際設(shè)計的天線和極化調(diào)整模塊，經(jīng)過極化校準(zhǔn)過程可以得到形成各種極化角所對應(yīng)的衰減器和移相器配置，并得到不同極化狀態(tài)下的極化隔離度，其結(jié)果如表1所示。

表1 不同極化狀態(tài)下的極化隔離

從表1中可知，通過極化調(diào)整，極化隔離度高于20 dB，可滿足一般使用需求，從而驗證了這種自動極化調(diào)整方法及其校準(zhǔn)方法的有效性。

4 結(jié)束語

本文提出了一種自動極化調(diào)整技術(shù)，可用于衛(wèi)星通信天線設(shè)計中。該技術(shù)不需要任何機(jī)械旋轉(zhuǎn)的方式，可進(jìn)行實時極化調(diào)整，非常適用于無法采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行極化調(diào)整的某些低輪廓衛(wèi)星通信天線設(shè)計中。

經(jīng)理論分析和實際測試，驗證了該技術(shù)的有效性。目前所設(shè)計的自動極化調(diào)整模塊極化隔離度達(dá)到20 dB以上，可滿足一般使用要求。該模塊還需要改進(jìn)設(shè)計，以實現(xiàn)更高的隔離度指標(biāo)，滿足更高的使用要求。

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