Ku波段衛(wèi)星通信降雨的交叉極化研究

王蕾蕾，李 萍，安合志，張文輝

(1.武警工程大學(xué)研究生大隊，陜西西安 710086;2.武警工程大學(xué)通信工程系，陜西西安 710086)

隨著通信技術(shù)和空間技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信發(fā)展迅速，成為重要的信息傳輸載體。但頻譜分配日漸擁擠，對頻譜資源的開發(fā)越來越受到人們的重視。目前廣泛采用正交極化頻率復(fù)用方法即利用極化隔離，把相互正交極化的兩條信道安排在同一頻段上，使頻率利用率提高一倍。在這種情況下，兩種不同的極化要滿足一定的分辨率才能互不干擾。但由于各種原因，電波在傳播過程中，極化面可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使相互正交的兩個極化波，到達(dá)接收點后不完全正交，就產(chǎn)生了交叉極化現(xiàn)象，引起兩條信道的相互干擾，發(fā)生串音，大幅影響了通信系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。在微波通信中，降雨是引起電波交叉極化的主要原因之一。所以，研究降雨引起的交叉極化效應(yīng)有著重要的意義。

1 交叉極化的產(chǎn)生機理

當(dāng)雨滴較大時，其外形一般為扁平的橢球體，在下落過程中，由于風(fēng)等因素的影響，偏離波的傳播方向，產(chǎn)生一定的傾斜角度θ，引起交叉極化。如圖1所示，電波沿雨滴長軸和短軸的衰減各不相同，于是產(chǎn)生差分衰減

式中，α2與α1分別表示電波沿x軸和y軸傳播的衰減值，其中α2＞α1。同時電波沿雨滴x軸和y軸的相移也不一樣，產(chǎn)生差分相移

式中，β1與β2分別表示電波沿雨滴y軸和x軸傳播時的相移［1］。

令電波傳播方向與雨滴長軸之間的夾角為α。當(dāng)α=0°即線極化波沿雨滴的長軸方向傳播時，電場的極化方向在雨滴的圓形橫截面內(nèi)，電波通過雨滴雖其振幅和相位都有變化，但其極化狀態(tài)保持不變。而當(dāng)電波以α=90°方向入射到雨滴上時，電場E1在平行和垂直于雨滴長軸方向上的兩個分量，會有不同程度的衰減和相移，分別稱為差分衰減和差分相移，使得波的極化狀態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，引起交叉極化現(xiàn)象。顯然交叉極化的程度與α有關(guān)，當(dāng)α=90°時交叉極化現(xiàn)象最嚴(yán)重［2］。如圖1所示，是入射波電場，它在雨滴長軸和短軸方向上的兩個分量受到雨滴的作用而發(fā)生不同的衰減和相移，ER為經(jīng)雨滴作用后的場量，其分量E11為主極化分量，E12為交叉極化分量。

這種現(xiàn)象對單極化傳輸系統(tǒng)影響并不大，但對于正交極化復(fù)用的雙極化傳輸系統(tǒng)，會造成極化隔離度降低，導(dǎo)致正交極化的信號互相干擾加大交叉極化現(xiàn)象，對線極化和圓極化都有影響。

圖1 雨滴的去極化作用(α=90°的情況)

通常使用交叉極化分辨率XPD或是交叉極化隔離度XPI來描述線極化波的去極化程度，定義為

2 交叉極化的預(yù)報模式

目前應(yīng)用廣泛的ITU－R交叉極化衰減預(yù)報模式是基于一階小變量近似導(dǎo)出的

式中，CA=V(f)lgAp，p為年平均時間概率，年平均時間概率的含義是在一年中p%的時間內(nèi)XPD不超過XPD(p%);Ap為p%時間概率上雨衰減量，其中0.01%時間概率雨衰減:A0.01=γRLE，特征衰減:γR=k(R0.01)α

Cice=XPDrain×(0.3+0.1lgp)/2為冰晶體產(chǎn)生的去極化衰減;Cf=30lgf為頻率因子;Cτ=－10lg{1－0.484［1+cos4τ］}為線極化改善因子，其中 τ為極化面傾角即電波與水平面夾角，τ在0°～45°范圍內(nèi)，Cr從15 dB逐漸遞減為0，即XPD減小，極化干擾逐漸增大;τ在45°～90°范圍內(nèi)，XPD逐漸增大，極化干擾逐漸減小;Cθ=－40lg(cosθ)為地理增益因子;θ為地球站對衛(wèi)星的仰角，仰角越大，XPD也越大，極化干擾越小;Cσ=0.005 2σ2為雨滴傾角因子，σ為雨滴傾角的方差(Degrees);σ越大，XPD就越大，極化干擾越小。對應(yīng)1%，0.1%，0.01%和0.001%時間概率，ITU －R 給出 σ 取值分別為 0°，5°，10°和 15°，考慮到數(shù)據(jù)庫中其他概率點的數(shù)據(jù)以及實際工作的需要，根據(jù)ITU－R所給數(shù)據(jù)，擬合了σ與p的函數(shù)關(guān)系

其中，R表示降雨率;R0.01表示當(dāng)?shù)仄骄?.01%時間概率點降雨率;hs表示地球站海拔高度;LE為雨頂?shù)挠行窂介L度;hR表示雨頂高度;θ表示仰角;φ表示地球站緯度;f表示頻率;Re表示地球等效半徑。

3 極化衰減的計算

利用定點于134°E亞太6號Ku波段衛(wèi)星參數(shù)，結(jié)合廣州、南京、長春、西安等城市的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行極化衰減量的分析計算，得到了在f=12 GHz時各站點不同極化0.01%時間降雨率時的衰減量。結(jié)果計算如表1所示。

4 極化補償網(wǎng)絡(luò)

為補償交叉極化引起的衰減，可以通過采用極化補償系統(tǒng)彌補。采用兩種方法［5］如圖2所示，圖中OMT為正交模變換器。

在組合A中，90°極化器可以使入射電場中的兩個相互正交分量之一產(chǎn)生微分相移，從而產(chǎn)生線極化波，然后用180°極化器旋轉(zhuǎn)該線極化波，得到原來方向上的線極化波。在組合中，第一塊極化器將入射的橢圓極化波進(jìn)行90°移相，變成另一橢圓極化波，變換后的橢圓極化波經(jīng)過第二塊極化器進(jìn)行90°移相后，即成為原來方向上的線極化波。這兩種方法都可以把交叉極化鑒別率約由20 dB補償?shù)郊s30 dB。

表1 時典型站點不同極化下的衰減量

圖2 極化補償網(wǎng)絡(luò)

5 結(jié)束語

從以上分析可知，在Ku波段降雨引起的交叉極化衰減現(xiàn)象嚴(yán)重，因此，必須在廣泛研究分集技術(shù)、自適應(yīng)補償、功率控制法、碼速率自適應(yīng)法、智能天線等新技術(shù)基礎(chǔ)上建立精度更高、操作更簡便的預(yù)報模型［6］，為Ku波段衛(wèi)星抗惡劣氣象環(huán)境的技術(shù)研究及硬件設(shè)計提供良好的傳輸參數(shù)。

［1］閻毅，黃際英.雙極化頻率復(fù)用信道交叉極化效應(yīng)的預(yù)測方法［J］.煙臺大學(xué)學(xué)報，1994(12):133－137.

［2］周朝棟，王元坤，楊恩耀.天線與電波［M］.西安:電子科技大學(xué)出版社，1994.

［3］王衛(wèi)民.頻率復(fù)用通信系統(tǒng)中的交叉極化問題［J］.微波學(xué)報，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］張世宏.降雨對衛(wèi)星電視信號的影響及其補償［J］.山東電子，1988(3):32－33.

［6］黃際英，陳新蓮，唐映德，等.Ka波段降雨衰減與去極化效應(yīng)［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報，2002，28(12):733－736.