信號極化方式對跟蹤接收機相位影響研究

林習良,劉明波,莊乾波,徐文章

(中國衛星海上測控部, 江蘇 江陰 214431)

0 引 言

通信衛星常采用極化復用的方式提高頻譜利用率。為適應不同極化方式,地面衛通站天線饋源大多采用雙圓/雙線極化設計,饋源不同狀態對應于不同極化方式,與信號傳輸相匹配。該狀態差異影響在移動衛通站大范圍機動時會顯現出來,具體表現在部分狀態下隨衛通站地理位置變化跟蹤接收機相位會發生漂移,引起天線跟蹤性能下降,多個船載衛通站出海期間曾出現過類似問題。

文獻[1-3]針對3種不同狀態下船載衛通站機動中出現的天線跟蹤性能下降問題,分別分析了某一特定極化方式下跟蹤接收機相位漂移的原因,缺少對另外5種極化方式的分析;文獻[4]研究了單脈沖跟蹤接收機角誤差信號解調基本原理,沒有對信號的極化方式進行區分,缺少對相位變化規律的研究。相關文獻均沒有對跟蹤接收機相位受極化方式的影響進行全面系統地分析研究,國外公開文獻中也未見有同類問題研究成果的發表。

本文針對工程應用中遇到的問題,以典型的移動衛通站天線饋源結構為參考,結合圓極化器工作原理,對跟蹤接收機使用的和、差信號進行了解析,根據所使用的單通道單脈沖跟蹤接收機角誤差信號解調原理,得到了8種不同狀態下跟蹤接收機相位與極化角間的全面關系,為跟蹤接收機相位補償設計提供了理論依據。

1 極化合成與轉換

1.1 極化合成

根據電磁場理論,空間任意固定點處振幅為b、初始相位為α的右旋圓極化(RHCP)波可表示為ERH(t)=bej(ωt+α),左旋圓極化(LHCP)波可表示為ELH(t)=be-j(ωt-α)。按照極化合成原理:任何極化的平面電磁波,都可以用兩個極化方向相互垂直的線極化波疊加構成,可表示為[5]

(1)

(2)

同樣,線極化波(LP)可以分解為振幅相等旋向相反的兩個圓極化波,則偏離x軸角度α的線極化波可表示為

EL(t)=2bcos(ωt)ejα=bej(ωt+α)+be-j(ωt-α)=

ERH(t)+ELH(t)

(3)

基于以上理論,通過專門的移相設計,即可實現線極化與圓極化信號的相互轉換。

1.2 極化轉換

假設天線接收的來波沿+z方向傳播(從紙面向外,坐標關系可參見圖1),接收信號進入饋源圓波導后經圓極化器從矩形波導口輸出,在與傳播方向垂直的平面xOy上,x軸與地面站當地水平面平行,y軸與地面站的垂直極化方向平行,uOv為xOy順時針方向旋轉45°,線極化方式時圓極化器移相面與x軸平行,圓極化方式時圓極化器移相面與u軸或v軸平行。本文以移相面與u軸平行為例進行分析,饋源水平極化端口等效截面示意圖如圖1所示。

圖1 極化轉換示意圖Fig.1 Schematic diagram of polarization transform

當來波為式(1)表示的右旋圓極化信號時,在平面uOv上,可以分解為u、v兩個空間正交的分量。

ERH(t)=bej(ωt+α)=

(4)

(5)

從而完成右旋圓極化向水平極化的轉換。

同樣可以推導出,式(2)表示的左旋圓極化信號經過圓極化器后從另外一個端口輸出,空間上與y軸平行,完成向垂直極化的轉換,可表示為

(6)

2 信號分析

2.1 饋源結構

采用雙圓/雙線極化設計的衛通站天線饋源網絡主要由波紋喇叭、TE21模耦合器、圓極化器、分波器、旋轉關節和矩形波導等部分組成,一種典型的移動衛通站天線饋源結構如圖2所示。

圖2 饋源網絡結構圖Fig.2 Structure of the feed components

圖2所示的三組端口,每組含兩個互為正交的端口,其中一組用于發射上行信號,分別為水平極化和垂直極化,圓極化狀態下經過圓極化器(采用銷釘移相器)后分別對應為右旋圓極化和左旋圓極化;一組用于接收和信號輸出,分別為水平極化和垂直極化,圓極化狀態下對應于極化轉換前的右旋圓極化和左旋圓極化;一組用于接收差信號輸出,分別為右旋圓極化和左旋圓極化。實際使用中和、差信號接收端口均與低噪聲放大器連接,根據圖2所示饋源的工作原理,對于某一特定極化的信標,在每個接收端口是否有信號輸出主要由饋源極化工作狀態和信標極化方式決定。本文主要討論與跟蹤接收機解調相關的和、差信號接收端口的極化方式,圖中將端口按1～4編號,工作于圓極化方式時,接收端口1與饋源的相對關系可以等效為圖1。

工作于線極化方式時,圖2中接收端口1與饋源的等效相對關系可簡化如圖3所示。

圖3 水平極化饋源等效示意圖Fig.3 Schematic diagram of feed in horizontal polarization state

天線對準衛星后,極化面未調整時接收端口1矩形波導窄邊與x軸平行,寬邊與y軸平行,不考慮三軸穩定、兩軸跟蹤體制天線[6]引入的極化偏差[7],地面站相對于衛星水平極化的極化角為[8]

(7)

式中:LE為地面站經度;Φ為地面站緯度;LS為同步衛星星下點經度。其中東經、北緯取正,西經、南緯取負。雖然圓極化方式下極化角并無實際意義,但對于跟蹤同一顆衛星,文中主要以θ變化表示移動衛通站機動時地理位置的變化。

2.2 信標類型

通過對當前常用通信衛星的統計,信標極化方式可分為以下兩種。

1)圓極化衛星:右旋圓極化、左旋圓極化和線極化。

2)線極化衛星:水平極化(HP)、垂直極化(VP)。

以3顆衛星C頻段轉發器為例,線極化的亞太7號衛星(76.5°E)水平極化信標頻率為4 199.3 MHz、垂直極化信標頻率為3 626.3 MHz;圓極化的新天12號衛星(57°E)左旋圓極化信標頻率為3 950.0 MHz、右旋圓極化信標頻率為3 948.0 MHz;圓極化的國際18號衛星(180°E)右旋圓極化信標頻率為3 947.5 MHz和3 952.5 MHz,線極化信標頻率為3 950.0 MHz,所需左旋圓極化信號從線極化信標的左旋分量中獲取。

對于上述5種信標極化方式,右旋圓極化信標可用式(1)表示,左旋圓極化信標可用式(2)表示,式中α為任意常值;線極化信標可用式(3)表示,參照圖3所示關系(圖中以θ<0為例),當其與衛星水平極化方向成夾角δ時(δ為常量且-π/2≤δ≤π/2),取α=-θ+δ。作為線極化的特例,水平極化信標取δ=0即α=-θ[9],垂直極化信標取δ=π/2即α=-θ+π/2。

2.3 差信號

對于圖2所示的饋源網絡,波紋喇叭和TE21模耦合器狀態不隨天線極化方式變化而變化。對于右旋圓極化信標,差信號只在接收端口3輸出;對于左旋圓極化信標,差信號只在接收端口4輸出;對于式(3)表示的線極化、水平極化和垂直極化信標,差信號可同時從接收端口3和端口4輸出。

TE21模耦合器輸出的差信號用Δ表示、矩形波導接收端口輸出的和信號用Σ表示,下標表示其對應的極化方式或經過轉換后的極化方式。根據TE21模耦合器的工作特性,當天線波束中心偏離所需跟蹤的衛星角度β時,右旋分量激勵產生的差信號ΔRH、左旋分量激勵產生的差信號ΔLH分別為[10]

ΔRH=b[μ1βcos(ωt+α)+jμ2βsin(ωt+α)]=

bμβcos(ωt+α-φ)

(8)

ΔLH=b[μ1βcos(ωt-α)-jμ2βsin(ωt-α)]=

bμβcos(ωt-α+φ)

(9)

設ξ3、ξ4分別為從TE21模耦合器輸出經放大送至和差網絡合成單通道時右旋差信號、左旋差信號傳輸產生的相移,則TE21模耦合器輸出到達和差網絡的差信號為

ΔRH=bμβcos(ωt+α+ξ3-φ)

(10)

ΔLH=bμβcos(ωt-α+ξ4+φ)

(11)

2.4 和信號

2.4.1 圓極化方式

1)右旋圓極化信標

根據前面的分析,右旋圓極化信號經過圓極化器后,從接收端口1輸出式(5)表示的水平極化信號,考慮傳輸相移ξ1,到達和差網絡的和信號可表示為

(12)

2)左旋圓極化信標

左旋圓極化信號經過圓極化器后,從接收端口2輸出式(6)表示的垂直極化信號,考慮傳輸相移ξ2,到達和差網絡的和信號可表示為

(13)

3)線極化信標

線極化信號可分解為左旋和右旋兩個分量,和信號經過圓極化器后,在接收端口1和端口2同時輸出,選擇一路到達和差網絡的和信號也可表示為式(12)或式(13)。

2.4.2 線極化方式

參照文獻[9]分析,線極化方式下圖1表示的圓極化器移相面與x軸平行,饋源極化面根據θ進行相應調整,水平極化信號經過圓極化器時移相π/2,垂直極化信號經過圓極化器時相位不變,均不產生極化轉換作用,水平極化信號從接收端口1輸出,垂直極化從接收端口2輸出,選擇一路到達和差網絡的和信號為

ΣH=2bcos(ωt+ξ1)

(14)

ΣV=2bcos(ωt+ξ2)

(15)

3 接收機相位與極化角關系

根據地面站天線伺服跟蹤系統采用的單通道單脈沖跟蹤接收機工作原理,校相就是為了消除進入和差網絡的差信號與和信號的初始相位差,以確保跟蹤接收機解調出的和、差信號相位差能真實反映天線電軸偏離衛星的角度[4]。靜態校相時,通過將式(10)或式(11)給定條件設為φ=0、π、π/2、-π/2等特定值,得到的跟蹤接收機相位等于差信號與和信號的相位差。綜合以上不同極化方式信號的表達式,和、差信號不同極化組合時的相位差計算結果見表1。

表1 校相結果比較Tab.1 Comparison of phase calibration

相位差不含θ項,說明該極化組合下跟蹤接收機相位理論上是固定的,不需進行補償;相位差含θ項,說明該極化組合下跟蹤接收機相位會隨地理位置的變化而變化,需采取相應的相位補償才能消除其影響,通過比較可以得出以下結論:

1)只有圓極化方式下和、差信號極化一致時,跟蹤接收機相位才不會隨地理位置變化發生漂移,此時不需進行相位補償;

2)圓極化方式下和、差信號極化不一致時,跟蹤接收機相位將隨地理位置變化而變化,相位變化量為極化角變化量θΔ的2倍,差信號為右旋、和信號為左旋圓極化時補償值應為-2θΔ,差信號為左旋、和信號為右旋圓極化時補償值應為2θΔ;

3)線極化方式下,跟蹤接收機相位也隨地理位置變化而變化,相位變化量等于極化角變化量θΔ,差信號為右旋圓極化時補償值應為-θΔ,差信號為左旋圓極化時補償值應為θΔ;

4)跟蹤接收機的相位漂移是線性變化的,當其累積到一定程度超出系統交叉耦合指標后,才會表現出天線跟蹤性能明顯下降。

4 結果驗證

長期以來,多個船載衛通站出海期間使用不同極化的衛星進行通信,跟蹤接收機在國內某港口碼頭完成校相后,大范圍機動時的使用情況歸納如下:

1)使用圓極化A轉發器(對應于地面衛通站發送LHCP、接收RHCP)通信時,和、差均采用右旋圓極化信號,跟蹤接收機未進行相位補償,在波束覆蓋范圍內機動時天線跟蹤穩定,說明其相位與極化角變化量θΔ無關。

2)使用圓極化B轉發器(對應于地面衛通站發送RHCP、接收LHCP)通信時,和、差均采用左旋圓極化信號,跟蹤接收機未進行相位補償,在波束覆蓋范圍內機動時天線跟蹤穩定,說明其相位與極化角變化量θΔ無關。

3)某次使用60°E衛星圓極化B轉發器通信時,和信號采用左旋圓極化,差信號采用右旋圓極化,跟蹤接收機未進行相位補償,機動中天線跟蹤性能下降直至無法跟蹤,在東經102.7°、北緯1.4°附近對跟蹤接收機重新校相后恢復正常,經與碼頭狀態比較,相位比原校相值-70°,而極化角變化量θΔ為+33.6°,相位變化量基本符合-2θΔ的關系。

4)某新型跟蹤接收機設計時針對跟蹤線極化衛星進行了相位補償,首次使用134°E衛星線極化A轉發器(對應于地面衛通站發送VP、接收HP)通信時接入的差信號采用右旋圓極化,移動衛通站機動中出現天線跟蹤性能下降直至失鎖現象,通過人工逐步調整的方式,在原相位值基礎上調整-2θΔ后天線跟蹤性能恢復正常,分析跟蹤接收機軟件,發現程序中默認按差信號為左旋圓極化進行相位補償θΔ,而實際使用的右旋圓極化差信號應進行相位補償-θΔ[2,9],人工調整后-2θΔ跟蹤正常,說明不同極化的差信號所對應的補償值大小相等、符號相反。設計人員根據分析結果增加了差信號極化方式選擇功能,將相位補償策略調整為差信號采用左旋圓極化時相位補償θΔ,右旋圓極化時相位補償-θΔ,機動中使用134°E衛星線極化A轉發器通信時,和信號采用水平極化,差信號采用右旋圓極化,同時將差信號極化方式也設置為右旋圓極化,隨位置變化極化角由20.8°變為43.4°,天線跟蹤穩定,此時人為將差信號極化方式設置改為左旋圓極化,天線無法捕獲衛星,恢復為原設置后天線跟蹤正常。

5)某船載衛通站由使用134°E衛星線極化A轉發器切換為76.5°E衛星線極化B轉發器(對應于地面衛通站發送HP、接收VP)通信時,不改變和、差信號連接端口,僅通過軟件將天線極化面改為按θ′=(θ±π/2)來控制,和信號采用接收端口1輸出的垂直極化,差信號保持采用右旋圓極化,機動中天線跟蹤穩定,說明線極化方式下相位補償由差信號極化方式決定,與和信號極化方式無關。

上述不同極化方式下的應用情況,與表1中的分析結果一致,其中三種極化方式與文獻[1-3]得出的結論相符,從而能夠驗證分析過程與結論的正確性。

5 結束語

本文全面分析了和、差信號不同極化組合時跟蹤接收機相位與極化角的關系,從原理上解釋了移動衛通站使用中遇到的問題,為采取相應的相位補償策略提供了依據。為保證天線穩定跟蹤,圓極化時跟蹤接收機使用的和、差信號極化方式應相同,不需進行相位補償;線極化時跟蹤接收機使用的差信號極化方式應保持不變,根據極化角變化采取一種固定的相位補償策略即可,這樣有利于簡化跟蹤接收機控制程序,而對于經常進行線/圓極化及A/B極化(與衛星轉發器極化方式相對應)切換的移動衛通站,則需增加和、差信號極化方式設置功能,以避免頻繁切換信號端口。

需要說明的是,由于參考坐標系不同,部分設備計算得到的極化角與本文所用公式計算結果符號相反,進行相位補償時需根據其物理含義確定其極性。對于圓極化器安裝角度與圖1所示不同,移相面與v軸平行的設備,圓極化信號與矩形波導端口的對應關系將發生變化,限于篇幅未展開論述,其結果與本文給出的結論一致。