衛星通信天線自動極化調整技術

劉 英，路志勇，武 偉

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

0 引言

在衛星通信領域，Ku頻段衛星通信大多采用線極化的工作方式。線極化工作方式下，地面衛星通信天線必須具備極化調整的能力，以使地球站所定義的線極化和衛星所定義的線極化匹配［1，2］。傳統的極化調整方式采用饋電波導的機械轉動［3］，在某些低輪廓衛星通信天線設計中，無法采用饋電波導旋轉的方式進行極化調整，因此如何實現自動極化調整是該類型天線設計的關鍵技術之一。根據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，實時實現自動極化調整，有效解決移動通信中的極化失配現象，改善通信質量。

1 極化角概念

衛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，如果衛星接收地點在正南方向(接收點經度與衛星經度相同)，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度、緯度有關。為保證極化匹配，必須根據接收地的極化角來調整高頻頭輸入波導方向。接收地極化角的計算公式為［4］:

式中，衛星的經度、緯度分別為θs和φs;地球站的經度、緯度分別為θe和φe。

2 自動極化調整原理及方法

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方向規定為沿著波傳播方向觀察的旋轉方向。其軌跡有直線、圓和橢圓，因此對應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

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，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整的工作原理。當前衛星通信廣泛采用極化復用方式，即在同一頻帶內利用不同極化波束傳送兩路信號。假設天線與衛星的極化夾角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 極化復用衛星信號下行矢量分解

自動極化調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水平極化輸出端口9時抵消，即將E2h和E2v抵消，即消除了衛星的垂直極化信號E2;衛星水平極化信號E1h和E1v在端口9同相合成，恢復得到衛星的水平極化信號E1。同樣衛星垂直極化信號在端口10得到恢復，并且端口10消除了水平極化信號。

圖3 自動極化調整模塊組成

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 自動極化調整實現方法及實測結果

3.1 工程實現方法

采用衰減器的極化調整模塊內部組成如圖4所示。

圖4 自動極化調整模塊內部組成

上述實現雙通道極化調整的關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，工程上可以通過數控衰減器直接調整2個分路的幅度大小來實現。

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5.625°)和6位衰減器(最小步進0.5 dB)，可以調整水平極化天線和垂直極化天線之間的幅度和相位，實現自動極化調整。極化調整模塊中設置了放大器，其主要目的是補償數控移相器和數控衰減器帶來的衰減，實現整個射頻通道的電平要求及系統信噪比要求。

在工程上，由于極化調整模塊中合路器之前的2路都具有放大器、數控移相器和數控衰減器等器件，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，在此需要進行各種極化角情況下的校準過程，即得到極化角與極化調整模塊中移相器與衰減器設置的關系。

極化校準過程如下:

①指示天線偏轉θ角時，被校準天線對準指示天線接收信號，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調整數控衰減器1或衰減器2，將2個天線接收信號的電平調整一致，調整后衰減器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，記錄接收電平值達到最大值時的相位值φ0;

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

⑤ 將指示天線偏轉90°，即轉到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對應值A1、A2和φ，即此時極化調整模塊中這些器件調整到該狀態，天線就形成θ±90°方向的極化狀態，天線交叉極化隔離度為:M-C(dB)。

3.2 實測結果

按照上述自動極化調整原理設計實際設計的天線和極化調整模塊，經過極化校準過程可以得到形成各種極化角所對應的衰減器和移相器配置，并得到不同極化狀態下的極化隔離度，其結果如表1所示。

表1 不同極化狀態下的極化隔離

從表1中可知，通過極化調整，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整方法及其校準方法的有效性。

4 結束語

本文提出了一種自動極化調整技術，可用于衛星通信天線設計中。該技術不需要任何機械旋轉的方式，可進行實時極化調整，非常適用于無法采用機械旋轉方式進行極化調整的某些低輪廓衛星通信天線設計中。

經理論分析和實際測試，驗證了該技術的有效性。目前所設計的自動極化調整模塊極化隔離度達到20 dB以上，可滿足一般使用要求。該模塊還需要改進設計，以實現更高的隔離度指標，滿足更高的使用要求。

［1］王衛民.頻率復用通信系統中的交叉極化問題［J］.微波學報，2005，21增刊(4):157-159.

［2］康春鎖，何 彪.衛星地球站天線極化的調整［J］.廣播與電視技術，2000(1):104-106.

［3］白徐祥，官山林.動中通衛星通信天線［J］.無線通信技術，2004，30(1):26-28.

［4］劉 革，傅吉玖.談衛星接收極化的調整［J］.中國有線電視，2002(8):46-47.

［5］沈曉衛，姚敏立，林志強，等.“動中通”變極化系統研究［J］.通信技術，2007，40(9):5-7.

［6］彭衛紅.可變功分器研究［J］.空間電子技術，1998(2):26-31.