衛星通信站極化隔離度下降的排查及解決方法

周陽輝,羅黎希,羅 巖

(中國衛星海上測控部,江蘇 江陰 214431)

1 引 言

接收支路交叉極化隔離度是衛星通信站(以下簡稱衛通站)重要指標之一,如果接收交叉極化隔離度降低,一旦接收的同頻信號中出現反極化信號,會對衛通站的主用載波形成干擾,影響正常通信。而且移動地球站在跟蹤線極化衛星時,由于地理位置的變化,極化方向會隨之改變,天線的極化面也在自動調整。一旦極化失配會導致和差信號的增益變化,從而影響交叉耦合性能,引起天線失鎖[1]。

某衛通站饋源網絡中線圓轉換裝置與天線A極化輸出口方向的夾角轉動范圍為-45°～0°,A、B極化信號的分路通過收右旋、收左旋兩信號通道引出實現。2011年11月,崗位人員對衛通站接收支路交叉極化隔離度進行測試,發現線極化、圓極化狀態下極化隔離度均只有16 dB左右,不滿足指標要求且相差較大,隨即對接收極化隔離度降低的原因進行排查解決。

2 極化隔離度的定義

極化隔離度就是有用的主極化信號和無用的反極化信號功率之比:

式中,P1為主極化信號功率,P2為反極化信號功率。

如果用對數方式表達即為

或者

式中,L1為主極化信號功率電平,L2為反極化信號功率電平。

對于橢圓極化波來說極化隔離度與橢圓軸比之間的關系是

其中,V為橢圓軸比(VAR)。國際衛星組織INTELSAT規定,對于工作在圓極化方式的地球站天線:老天線,在天線跟蹤波束帶寬內,其天線發射VAR不能超過1.09,相應交叉極化隔離度為27.3 dB;新天線,在天線跟蹤波束帶寬內,其天線發射VAR不能超過1.06,相應的交叉極化隔離度為30.7 dB。對于工作在線極化方式的天線,交叉極化隔離度為30.0 dB。天線接收交叉極化隔離度的指標要求參照天線發射交叉極化隔離度指標[2]。

3 排查過程

影響衛通站接收支路交叉極化隔離度的可能因素包括接收下行支路存在串擾、線圓極化轉換不到位、極化角不匹配等。

接收下行支路存在串擾,主要是微波器件的自身問題,需要找到串擾器件進行更換。本文的排查重點放在線圓轉換極化器和極化角方面。一般而言,線圓轉換極化器和極化面屬于天線饋源網絡部分,廠所安裝時都是在地面調試完畢后整體吊裝。長時間使用后,由于天線震動、器件老化、吊裝偏移等原因導致隔離度下降,必須由廠家對天線進行吊裝拆解,重新調整標定線圓轉換極化器和極化面的位置。所以通信任務中出現反極化干擾時,大多通過臨時更換頻點應急通信,協調轉發器資源難度大且成本高。

崗位人員通過理論和實測數據相結合,推導出線圓轉換極化器和極化面偏差的理論值,利用簡易的方法進行了偏差糾正,最后經過測試,證實了方法的可行性,達到了提高極化隔離度的目標。

3.1 線圓極化轉換偏差的理論影響

設線圓轉換裝置偏離位置的角度絕對值為 θ,由公式(1)、(2)可以推出A、B信號衰減強度與 θ近似關系為

由公式(4)、(5)可以知道圓極化測試中,線圓極化轉換對A、B通道信號影響如圖1所示[3](根據公式,使用MATLAB軟件繪制)。

圖中,橫坐標為線圓轉換裝置與天線A極化輸出口方向的夾角,縱坐標對于A、B為信號衰減強度。右圓極化應該對應-45°夾角,即圖中A極化信號最大、B極化信號最小的位置。0°夾角對應天線的水平線極化狀態(圓極化信號下降3 dB),左圓極化應該對應+45°夾角,即圖中B極化信號最大、A極化信號最小的位置。

3.2 極化角偏差的理論影響

設極化角偏離角度的絕對值為 θ,由公式(1)、(2)可以推出A、B線極化信號衰減強度與θ關系為

由公式(6)、(7)可以知道線極化測試中,極化角變化對A、B通道信號影響如圖2所示[4](根據公式,使用MATLAB軟件繪制)。

圖2 線極化測試中極化角變化對A、B通道信號的影響Fig.2 The influence of polarization angle variation on channel A and B

圖中,橫坐標為極化角,縱坐標對于A、B為信號衰減強度。A極化信號的最高點對應衛通站所在地理位置的極化角-49.08°,此時B極化信號理論值為0。

3.3 實測數據分析

主要方法:崗位人員利用衛通天線跟蹤183°E圓極化衛星(A極化)和134°E線極化(A極化)衛星,跟蹤正常后,轉動線圓轉換器和極化角,測試信標的變化情況。

3.3.1 圓極化衛星測試數據分析

衛通天線對準183°E圓極化衛星,測試A、B通道接收右旋極化信標(3 951.5MHz)功率,測試結果見表1(已經考慮A、B通道差)。

表1 圓極化星極化隔離度測試記錄表Table 1 Test record of polarization isolation for circular polarization satellite

結果分析:天線在圓極化A狀態下,由于衛星信標為右旋圓極化信標,B通道應該對此信號完全隔離,但在B通道上能觀察到一定強度(-67 dBm)信號,即可斷定線圓轉換裝置位置存在偏差。極化角對圓極化信號理論上沒有影響,極化角由0°轉到90°時,A、B極化信號無變化。

通過圖1對圓極化偏差角度進行定量的理論推導。圖中,理論上圓極化A應該對應 -45°夾角,即圖中A極化信號最大,B極化信號最小的位置。由于天線在由“圓極化”轉換到“線極化”狀態過程中(即夾角由-45°※0°),A極化信號前期不變化(斜率小,頻譜儀無法分辨),后期一直減小,B極化信號先降低后增加,對比圖1,說明天線“圓極化”狀態不是對應夾角-45°,而向負方向發生了偏移。0°夾角對應天線的線極化狀態,此時,A、B通道都能收到與最大信號值相差3dB的信號。分析可得

設圓極化器位置偏離角度絕對值 θ,由于角度偏離引起的B信號衰減強度為

由公式(5)可知

解之可得

所以衛通站“圓極化”狀態對應夾角為-56°,與理論值-45°偏差了-11°。直接從圖1可以讀出14 dB對應橫坐標數值也為-56°左右,圖1和公式推理可以相互佐證。

3.3.2 線極化衛星測試數據分析

衛通天線對準134°E線極化衛星,地球站地理位置線極化角的理論值為-49.08°。分別測試A極化(水平)和B極化(垂直)通道接收水平極化信標(4 199.825 MHz)電平,測試結果見表2。

表2 線極化星極化隔離度測試記錄表Table 2 Test record of polarization isolation for linear polarization satellite

理論極化角為-49.08°,若天線實際極化角與理論極化角相同,則在B通道上接收到的水平信標信號應該基本淹沒在底噪中。但天線極化角顯示為-49.08°時,在B通道信號-69 dBm,說明存在兩種可能性:其一,線極化狀態與實際狀態存在偏差;其二,極化角與實際值存在偏差。

測試圓極化信號時,轉到線極化狀態,收圓極化A信號下降了3 dB,符合理論值,說明線極化的位置沒有太大偏差。而且如果線極化位置有誤,無論如何轉動極化角,都不能出現A、B極化信號降到底噪的情況。極化角的偏差是導致線極化信號隔離度差的主要原因。

手動順轉極化角,當極化角顯示-39.68°時,觀察到B極化信號降到底噪。隨后極化角繼續轉動開始抬升,當極化角轉動到顯示值為51°時,A極化信號降到底噪,B極化信號達到最高點,與先前B極化信號最低點(顯示值-39.68°)正好相差約 90°,再一次驗證了剛才的推斷。天線極化角顯示值與實際值相差約-9.4°。

下面通過圖2對極化角偏差角度進行定量的理論推導。

由測試結果可知

那么設極化角位置偏離角度絕對值為 θ,由于角度偏離引起的B信號衰減強度為

由公式(7)可知

解之可得

忽略天線角度旋變等系統誤差,實測值和公式推導值基本一致,再次驗證了極化角存在偏差的事實。同樣在圖2中,直接讀取橫坐標為-39.68°的B極化衰減信號強度也為15 dB左右。

4 解決方法

4.1 線圓極化器調整

根據上面的理論推導,采用在接觸銅條上加裝撞塊的方法調整圓極化器位置達到糾正收圓開關偏差的目的,主要步驟如下:

(1)衛通跟蹤183°E右旋圓極化衛星信標;

(2)將和差網絡合路器輸出A通道信標信號接入頻譜儀,頻譜儀分辨帶寬設置為300 Hz,記錄A通道信標信號的峰值和底噪;

(3)將低噪聲放大器2#輸出的B通道信號接入頻譜儀,保持頻譜儀設置不變,記錄B通道內A極化信標信號的峰值和底噪;

(4)由收圓※收線轉動圓極化器,當B通道內A極化信標信號達到最小值時停止轉動,記錄B通道信標信號的峰值和底噪,記錄接觸銅條的位置,根據此位置測量加工撞塊的尺寸;

(5)在接觸銅條上加裝撞塊,使得撞塊與限位開關緊密接觸并使圓極化狀態指示燈點亮;

(6)計算接收圓極化信號交叉極化隔離度,完成圓極化器的調整工作。

圓極化器調整前后測試結果見表3。調整后接收圓極化信號交叉極化隔離度為28 dB,提高了12 dB。

表3 調整前后的A、B信號記錄Table 3 Test record of A and B signal before and after installation

4.2 極化面調整方法

根據上面的理論推導,采用調整旋變零位的方法調整極化面以達到糾正極化角偏差的目的。主要步驟如下:

(1)衛通跟蹤134°E衛星水平極化信標,記錄極化角的顯示值θ;

(2)將和差網絡合路器輸出A通道信標信號接入頻譜儀,頻譜儀分辨帶寬設置為300 Hz,記錄信標信號的峰值和底噪;

(3)將低噪聲放大器2#輸出的B通道信號接入頻譜儀,保持頻譜儀的設置不變,記錄B通道A極化信標信號的峰值和底噪;

(4)轉動極化面,當B通道信標信號達到最小值時停止轉動,記錄信標信號的峰值和底噪,記錄此時極化角的顯示值β;

(5)調整旋變位置,使得極化角的顯示值 β轉變為θ;

(6)計算線極化狀態下接收信號交叉極化隔離度,完成極化面的調整。

極化面調整前后測試結果記錄見表4。調整后接收線極化信號交叉極化隔離度為29 dB,提高了13 dB。

表4 調整前后的A、B信號記錄Table 3 Test record of A and B signal before and after installation

5 結 論

極化失配問題大多數由極化面和線圓極化器位置偏差引起,這一問題的產生主要原因有設備安裝調試偏差、震動導致偏差、波導傳導特性變化等[5]。相關的文獻中沒有如何調整的敘述,崗位人員沒有相關的工程實踐經驗。本次排查中,崗位人員按照先排查線圓極化位置后排查極化面角度的順序進行,排除交叉干擾;通過公式和圖形的結合,迅速判斷出角度偏離的方向(正負)和大小,最后利用調整旋變和限位開關位置的方法進行解決。該方法簡便易行、原理清晰,可以作為排查該類型問題的標準參考。但是對于其他原因引起的極化失配問題,本文沒有涉及,仍然需要進一步深入研究。

[1] 周陽輝.和差極化方式不同導致跟蹤問題的分析[J].電訊技術,2010,50(10):109-112.ZHOU Yang-hui.Analysis of Tracking Problem caused by different Polarization Patterns of Sum and Difference Channels[J].Telecommunication Engineering,2010,50(10):109-112.(in Chinese)

[2] 沈民誼,蔡鎮遠.衛星通信天線、饋源、跟蹤系統[M].北京:人民郵電出版社,1993.SHEN Ming-yi,CAI Zhen-yuan.Satellite communication antenna,feed,tracking system[M].Beijing:People′s Posts and Telecommunications Press,1993.(in Chinese)

[3] 李靖.TE21模單通道自跟蹤系統[J].無線電通信技術,2005,31(6):42-44.LI Jing.TE21 single mode self-tracking system[J].Radio Communications Technology,2005,31(6):42-44.(in Chinese)

[4] 米慧勇,袁博.衛星天線極化隔離度的測量與調整[J].有線電視技術,2011,30(9):72-74.MI Hui-yong,YUAN Bo.Satellite antenna polarization isolation measurement and adjustment[J].Cable Television Technology,2011,30(9):72-74.(in Chinese)

[5] 陸善民.天線方向圖及其在無線電比相系統中引入的相位誤差[J].無線電工程,1980(1):1-13.LU Shan-min.Antenna directivity diagram and the phase error by it during Wireless phase system[J].Radio Engineering of China,1980(1):1-13.(in Chinese)