數字衛星接收天線極化方式分析和調整

林集敏

摘 要 數字衛星接收天線接收效果由三方面因素決定：仰角、方位角和極化方式，極化調整對衛星信號接收強度有很大的影響，筆者根據實際工作存在的問題，探討極化調整問題。

關鍵詞 極化角；線極化；圓極化；橢圓極化；波導

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-0360（2015）01-0029-02

在我國衛星發展的早期，由于當時世界各國衛星數量不多，頻道占用不擁擠，上星節目也不多，衛星極化較為簡單，極化方式比較單一，極化問題不會對信號接收產生較大的影響，因而在接收天線的安裝、調試過程中，極化調整常常不被重視。隨著我國經濟的快速發展，世界格局發生巨大變化，衛星及上星節目數量越來越多，頻道越來越擁擠，所以極化復用作為提高頻道利用率手段，成為最有效的解決方法。

1 極化方式介紹

1.1 極化方式分類

決定極化方式的不是衛星接收天線，而是衛星信號的極化方式。極化反映了電磁波電場矢量隨時間變化的規律。當衛星信號的電場矢量運行軌跡成一條直線時，這樣的電波叫做線極化電波，當星信號的電場矢量運動軌跡平行地平面時，這樣的電波叫做水平極化電波，當星信號的電場矢量運動軌跡垂直地平面時，這樣的電波叫做垂直極化電波。沿著電波傳播的方向看，電場矢量端點的運行軌跡為一個圓，這樣的電波叫圓極化。圓極化分為左旋圓極化、右旋圓極化。沿著電波傳播的方向看，電場矢量端點的運行軌跡為一個橢圓，這樣的電波叫橢圓極化。線極化和圓極化是橢圓極化的兩種特殊的變化形式。但是，通常在衛星廣播和通信領域，一般都不采用橢圓極化的方式，因為在一個周期內，電場的大小和方向都發生變化，接收端不容易接收信號，接收設備也會變的復雜。

1.2 極化隔離

為了科學合理地利用衛星頻率資源，提高帶寬利用率，在數字衛星廣播通信中，采用的最經濟的方法就是頻率復用技術，即在同一頻帶內傳送兩套不同的信號，為了確保兩套信號在傳輸互相不影響、干擾，必須要滿足兩個衛星信號之間的相位相差九十度的條件，這種衛星信號的極化隔離方法，可以讓兩種衛星信號之間不會發生互相干擾。極化隔離的方法同時能適用于線極化和圓極化。

在線極化中包含兩種極化方式，即垂直極化和水平極化。這兩種極化方式是相互正交的，也就是說，垂直極化的信號相位矢量在水平方向的投影分量為0，水平極化的信號相位矢量在垂直方向的投影分量為0，衛星接收天線無法同時接收水平和垂直兩種極化方式的信號。線極化方式是區域性廣播通信衛星中常用的極化隔離方式，優點是接收設備簡單，造價低，但工程時，接收天線調整調試過程相對復雜，需要一定的專業知識。

在圓極化中也采用極化隔離方式進行信號傳輸，左旋極化的信號與右旋極化的信號互相正交，兩個信號轉換成線極化后，在對方的投影分量也為0，所以圓極化接收天線只能同時接收一種圓極化信號。洲際衛星普遍采用圓極化方式，優點是接收天線調整簡單，但設備相對復雜一些。

需要說明的是，圓極化波可以分解為兩個線極化波，一個垂直極化，另一個水平極化，所以圓極化天線不但可以接收線極化波，而且線極化天線也可以接收圓極化波，但這樣的接收方式，會造成3dB的損耗。

2 數字衛星接收天線的極化調整

由于洲際衛星和區域性衛星采用的極化方式不同，加之線極化與圓極化之間可以互相轉化接收，所以，一般衛星接收天線可以接收線極化信號和圓極化波信號，以便提高天線的利用率。

2.1 接收圓極化衛星信號的調整方法

洲際衛星大多是圓極化方式，在衛星接收天線中，廣泛采用使用喇叭天線作為饋源，而喇叭天線的核心是一個圓波導，之所以采用圓波導，是為了確保衛星接收天線既能圓極化信號，也能接收線極化信號，避免因衛星信號極化類型改變后造成天線硬件的大幅度改動。所以圓波導的結構設計是完全對稱的。作為天線的一部分，饋源是通過法蘭盤與高頻頭連接在一起的，由于高頻頭的輸入端為矩形波導，只能接收線極化波，因此在饋源內部必須設有一個圓矩變換段，將圓波導逐步過渡到矩形波導。饋源喇叭接收的是圓極化波，就必須在高頻頭前改變信號的極化類型，才能讓只能接收線極化的高頻頭接收變換后的圓極化。由于圓極化波是可以分解成兩個等幅且極化隔離的線極化波，所以只有通過改變兩個線極化波的相位差，設法同相，才可以被矩形波導的高頻頭接收。

在衛星接收天線中采用90°移相器實現圓極化到線極化轉化的。常用的轉化方法有介質移相和銷釘移相兩種方法，介質移相用于前饋天線，銷釘移相用于后饋天線。介質移相原理是：采用一片用高氯化鋁瓷或聚四氟乙烯制作的低損耗的介質片，固定在饋源的圓波導內，方向是圓波導的直徑方向，這樣當平行于介質片的電場和垂直于介質片的電場通過介質片時，由于介質片的電磁特性導致介質片對平行性介質的電場與對垂直于介質的電場的影響大不相同，導致兩個方向的電場的相位速度發生改變，平行于介質片的電場相位速度改變較少，可以忽略不計，而垂直于介質的電場的相位改變很大，相位產生90°相移，從而實現圓極化向線極化的轉變。而銷釘移相對用于后饋饋源，一般是在波導內，安裝奇數對銷釘，銷釘的深度可以調整。改變銷釘的深度，可以改變平行于銷釘排列方向的電場的電抗性質，電抗特性可以從容性變成感性，也可以從感性變成容性；而垂直于銷釘排列方向的電場分量影響很小，把銷釘調整到合適位置，就可以實現平行于銷釘排列方向的電場發生90°移相，從而實現圓極化向線極化的轉變。通過調整極化器與地平面的角度，可以改變接收天線接收衛星信號的極化方式，這樣一副天線就能同時接收到不同極化方式的衛星信號了。

在接收圓極化的衛星信號時，接收天線的極化調整相對會簡單，只要將波導的旋向調節正確便可順利接收，但還需要特別注意的是圓極化信號在轉化為線極化波時，其極化方向是與高頻頭矩形波導的窄邊方向平行的。衛星接收天線接收信號必須經過反射，其中前饋式接收天線要經過一次反射，后饋式天線要經過二次反射，經過一次反射的前饋天線，反射波的旋向與入射波的旋轉方向正好相反，左旋波成為右旋波，反之亦然。需要經過兩次反射才能接收的后饋天線，圓極化的旋向不變。此外站在接收天線的后方，沿著信號傳播方向看去，由于觀察方向正好與信號傳播方向相反，因而，右旋極化的衛星信號旋轉方向應該為逆時針，左旋極化的衛星信號旋轉方向應該為順時針。

2.2 接收線極化衛星信號的調整方法

在接收線極化波時，衛星信號的線極化模式是由矩形波導口的窄邊方向決定的。當衛星接收天線需要接收水平極化信號時，就把波導口的窄邊調整到與地平面平行；當衛星接收天線需要接收垂直極化信號時，就把波導口的窄邊調整到與地平面垂直。此外調整接收線極化衛星信號的衛星接收天線時，除需要調整波導口的窄邊外，還需要調整極化角。

衛星接收天線的極化角是指接收點的地平面與接收天線口面的交線和電波的水平極化矢量之間的夾角。衛星信號波束發射的線極化波是以衛星的軸系為基準定義的，而衛星接收天線的線極化方向則以地平面為基準，只有衛星接收天線與衛星定點經度相同，兩者的角度才一致，如果接收地點的經度與衛星的經度不同，兩者之間就會出現夾角，衛星發射的線極化波與接收點的地平面就產生傾斜，與衛星定點經度相差越大夾角就越大，所以為了實現極化匹配，衛星接收天線必須相對于地平面扭轉一個角度（即極化角α），使之與衛星信號波束的線極化波的保持平行，才能使接收衛星信號的場強達到最大，不同的線極化波束之間的干擾達到最小。一般情況下，在北半球，當衛星位于正南方向時，極角為0°；當衛星位于正南偏西方向時，極化角大于0°；當衛星位于正南偏東方向時，極化角小于0°。對應到具體調整衛星接收天線就是：面對天線正面，對于前饋天線，當極化角大于0°，矩形波導向逆時針轉動；當極化角小于零度，矩形波導則向順時針轉動；而對于后饋天線來說，由于波導位于天線后面，矩形波導口轉動方向與前饋天線剛好相反。

3 小結

衛星接收天線的調整需要一定的理論知識和實際工作經驗。在實際工作中，工程人員往往重視接收衛星天線的方位角和仰角，對極化方式和極化角知之甚少，所以這里筆者結合自己曾經掌握的知識，對衛星接收天線極化調整做深入的探析，希望對實際工作人員能夠起到幫助。

參考文獻

[1]克勞斯，馬赫夫克.天線[M].3版.電子工業出版社，2011.

[2]丁榮林，李媛編.微波技術與天線[M].2版.機械工業出版社，2013.