衛(wèi)星通信中天線極化隔離度的調(diào)整王暉;張新元;劉飛飛【摘要】本文簡(jiǎn)要介紹了衛(wèi)星通信天線的方位角、俯仰角和極化角,并用圖形直觀地展現(xiàn)了三個(gè)參數(shù)隨經(jīng)緯度的分布情況.詳細(xì)闡述了極化隔離度的概念，對(duì)極化隔離度的測(cè)量進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,通過(guò)兩架天線的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明方位角、俯仰角和極化角對(duì)極化隔離度的影響.【期刊名稱】《數(shù)字通信世界》【年(卷)，期】2019(000)007【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P1-2,7)【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星通信;方位角;俯仰角;極化隔離度【作者】王暉;張新元瀏飛飛【作者單位】中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京100094;中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京100094;中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京100094【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TN927+.2衛(wèi)星通信是地球站之間利用衛(wèi)星作為中繼站的一種無(wú)線電通信方式，具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)便捷等特點(diǎn)，在我國(guó)廣播、電視、數(shù)據(jù)通信等業(yè)務(wù)中得到廣泛應(yīng)用和蓬勃發(fā)展。在衛(wèi)星天線架設(shè)完成以后，要高質(zhì)量接收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)就需要準(zhǔn)確地調(diào)整衛(wèi)星天線，使得天線的方位角、俯仰角和極化角與衛(wèi)星相匹配。在指向同一顆衛(wèi)星的情況下，不同地理位置的衛(wèi)星天線方位角、俯仰角和極化角是不同的，因此同一副天線改變了位置，三個(gè)角都需要重新調(diào)整。如果三個(gè)角未調(diào)準(zhǔn)到合適的位置，會(huì)影響到極化隔離度的測(cè)試結(jié)果，導(dǎo)致天線的該項(xiàng)指標(biāo)不合格，無(wú)法入網(wǎng)運(yùn)行。以下所討論的，如無(wú)特殊說(shuō)明，都是線極化的情況。1天線的方位角、俯仰角和極化角1.1天線的方位角天線的方位角是指天線的軸線在水平面的投影與正北方向的夾角，以正北為零，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。?dāng)?shù)孛嬲咎炀€位于北半球時(shí)，從參考文獻(xiàn)中得到方位角的計(jì)算公式為：式中，e為地球站的緯度（北緯為正，南緯為負(fù)）；入e為地球站的經(jīng)度（東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù)）；入s為衛(wèi)星經(jīng)度（東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù)）。圖1天線的方位角與經(jīng)緯度的關(guān)系根據(jù)公式（1），當(dāng)衛(wèi)星位于入s=110.5°時(shí)，地球站位于不同經(jīng)度和緯度下（經(jīng)度80°~120°E，緯度2°~52°N），方位角的分布如圖1。1.2天線的俯仰角天線的俯仰角是指天線的軸線與水平面的夾角。當(dāng)?shù)孛嬲咎炀€位于北半球時(shí)，從參考文獻(xiàn)中得到俯仰角的計(jì)算公式為：式中，e，入e,入s的定義與式（1）中相同；Re=6378km，為地球半徑；H=35786km，為同步衛(wèi)星距地球表面的高度。根據(jù)式（2）,當(dāng)衛(wèi)星位于入s=110.5°時(shí)，地球站位于不同經(jīng)度和緯度下（經(jīng)度80°~120°E,緯度2。~52°N），俯仰角的分布如下：圖2天線的俯仰角與經(jīng)緯度的關(guān)系1.3天線的極化角天線的極化角是以其饋源中矩形波導(dǎo)的安裝方式?jīng)Q定的，并且是以地面為基準(zhǔn)定義的，當(dāng)矩形波導(dǎo)口窄邊平行于地面時(shí)為水平極化，當(dāng)矩形波導(dǎo)口窄邊垂直于地面時(shí)為垂直極化。在多數(shù)情況下，衛(wèi)星下行信號(hào)的極化方向并不是理想地平行或垂直于地面，而是隨著接收天線所處的地球經(jīng)緯度的不同而不同。為了使天線的極化方向與衛(wèi)星下行信號(hào)的極化方向相一致，接收天線饋源中波導(dǎo)口相對(duì)于地面需要傾斜一個(gè)角度W,計(jì)算公式為：式中，e，入e,入s的定義與式(1)中相同。根據(jù)公式(3)，當(dāng)衛(wèi)星位于入s=110.5°時(shí)，地球站位于不同經(jīng)度和緯度下(經(jīng)度80°~120°E,緯度2。~52°N)，極化角的分布如圖3所示：2天線的極化隔離度天線的極化隔離度(CPI,CrossPolarIsolation)是用戶載波上星前需要測(cè)試的—項(xiàng)重要指標(biāo)。測(cè)試時(shí)，需要用戶在規(guī)定頻點(diǎn)處發(fā)射單載波，監(jiān)測(cè)站通過(guò)測(cè)量該單載波在正反兩個(gè)極化上的功率差值，得到極化隔離度。在監(jiān)測(cè)站看到的頻譜圖如下:圖3天線的極化角與經(jīng)緯度的關(guān)系圖4極化測(cè)試時(shí)的頻譜圖我們所說(shuō)的極化隔離度是分量1和分量3之間的差值，這個(gè)差值是和發(fā)射站的極化相關(guān)的，中國(guó)衛(wèi)通要求在考慮通道差的情況下，此差值需要大于30dB。下面就簡(jiǎn)要講述三個(gè)分量的來(lái)源：為了討論的簡(jiǎn)單，我們假設(shè)衛(wèi)星上的天線是理想的，沒(méi)有H和V極化的相互泄露。待測(cè)站發(fā)射的載波的電場(chǎng)為Et(f)，依據(jù)衛(wèi)星的H和V極化對(duì)Et(f)做正交分解，可以得到Eth(f)和Etv(f)，兩個(gè)極化分量分別進(jìn)入衛(wèi)星上的H極化和V極化通道，衛(wèi)星通過(guò)放大變頻將接收到信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)下去，下行的H極化和V極化通道分量為Esh(f-A1)和Esv(f-A2),其中A1和險(xiǎn)是衛(wèi)星上下行頻率之間的差值。由于衛(wèi)星變頻器的制作工藝，兩數(shù)值有稍許差別，大約在1kHz左右。兩數(shù)值都約等于衛(wèi)星的本振(LO，LocalOscillator)。一般，在標(biāo)準(zhǔn)C波段，衛(wèi)星的本振為2225MHz，在標(biāo)準(zhǔn)Ku波段，衛(wèi)星本振為1750MHz。在接收端(即監(jiān)測(cè)站)，收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)下來(lái)的H極化和V極化通道分量Esh(f-△1)和Esv(f-A2)，同時(shí)，接收天線存在H極化和V極化的相互泄露，為了能清楚的看到泄露分量，我們將接收天線的H、V極化軸定義為H'和V',與H、V有一個(gè)夾角，夾角大小與泄露程度以及接收天線極化(一般，監(jiān)測(cè)站的天線極化都已調(diào)整到最佳)有關(guān)，一般此角都比較小。對(duì)于接收到Esh(f-A1)來(lái)說(shuō)，又可以分解為兩個(gè)分量Erh(f-A1)和Erv(f-A1)，這就是極化圖中的分量1和分量2。對(duì)于接收到Esv(f-A2)來(lái)說(shuō)，也可以分解為兩個(gè)分量Erh(f-A2)和Erv(f-△2),其中Erv(f-A2)就是圖中的分量3。通過(guò)調(diào)整待測(cè)站的方位、俯仰，使分量1最大，此時(shí)天線已經(jīng)準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星；旋轉(zhuǎn)待測(cè)站的饋源，調(diào)整極化角，使分量3最小，最終使分量1和分量3的差值大于30dB。在調(diào)整的過(guò)程中，可能需要反復(fù)調(diào)整方位、俯仰和極化角，才能最終達(dá)到要求。圖5極化分量在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的示意圖3天線的方位角、俯仰角和極化角對(duì)極化隔離度的影響通常情況下，用戶準(zhǔn)備上業(yè)務(wù)之前都必須聯(lián)系衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行極化隔離度的測(cè)試。首先，用戶應(yīng)按前面公式(1)和(2)計(jì)算結(jié)果，或衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商提供的方位俯仰角，大致對(duì)上衛(wèi)星。在有頻譜儀或者接收機(jī)的條件下，可通過(guò)精細(xì)調(diào)整方位和俯仰角，使得載波(一般為衛(wèi)星信標(biāo)，有時(shí)也可能是轉(zhuǎn)發(fā)器上的載波)接受電平最大，就可以確定天線已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。在有頻譜儀的情況下，建議使用信標(biāo)電平作為參考，而且一般的衛(wèi)星在水平和垂直極化各自都有信標(biāo)。方位俯仰調(diào)到最佳后，可以旋轉(zhuǎn)饋源的角度，使得同極化的信標(biāo)調(diào)整到最大，反極化信標(biāo)調(diào)到最小，直至調(diào)到噪聲電平之下。在有接收機(jī)的情況下，可以參考轉(zhuǎn)發(fā)器上的載波進(jìn)行調(diào)整。以上調(diào)整完成后，就可以聯(lián)系衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行極化隔離度的測(cè)試了。用戶在約定頻點(diǎn)發(fā)出單載波后，會(huì)被要求先旋轉(zhuǎn)饋源。如果天線已對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，僅通過(guò)旋轉(zhuǎn)饋源就可以使得極化隔離度達(dá)到30dB以上。有些情況下，還需要調(diào)整方位俯仰。在協(xié)助用戶調(diào)整的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)方位角、俯仰角和極化角對(duì)極化隔離度的影響程度是不同的。為了研究這種不同的影響程度，分別使用Ku波段1.8M和C波段2.4M天線在不同衛(wèi)星上進(jìn)行測(cè)試。將Ku波段1.8M天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，極化隔離度調(diào)整到最好為44.24dB，測(cè)試數(shù)據(jù)如下：3.1改變方位角表1改變方位對(duì)極化隔離度的影響？圖6改變方位對(duì)極化隔離度的影響3.2改變俯仰角表2改變俯仰角對(duì)極化隔離度的影響？圖7改變方位對(duì)極化隔離度的影響3.3改變極化角表3改變極化角對(duì)極化隔離度的影響？圖8改變極化對(duì)極化隔離度的影響從以上數(shù)據(jù)可以看出，方位角從最大值減小了1.5°，極化隔離度減小了20.02dB；俯仰角從最大值減小了0.62°，極化隔離度減小了20.36dB。對(duì)于這幅天線來(lái)說(shuō)，極化隔離度對(duì)于俯仰角比方位角更敏感。接下來(lái)，又測(cè)試了C波段的2.4M天線的方位、俯仰和極化對(duì)極化隔離度的影響。測(cè)試數(shù)據(jù)如下：圖9C波段的2.4M天線的方位、俯仰和極化對(duì)極化隔離度的影響對(duì)于這幅天線來(lái)說(shuō)，極化隔離度對(duì)于方位角比俯仰角更敏感。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，由于不同天線設(shè)計(jì)上存在差別，因此極化隔離度對(duì)于方位角和俯仰角的敏感程度不同。4結(jié)束語(yǔ)天線的極化隔離度是天線入網(wǎng)運(yùn)行必須要滿足的指標(biāo)。如果此項(xiàng)指標(biāo)不合格，能量會(huì)泄露到反極化上，入網(wǎng)運(yùn)行后，不僅對(duì)天線的發(fā)射能力有影響，而且會(huì)使反極化的用戶業(yè)務(wù)接收降低。通過(guò)極化隔離度測(cè)試后，用戶就可以通過(guò)天線發(fā)射或者接收衛(wèi)星信號(hào)。希望通過(guò)此文，使得衛(wèi)星使用者對(duì)極化隔離度測(cè)試有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，從而使衛(wèi)星更加安全、高效的運(yùn)行，發(fā)揮衛(wèi)星通信的最大效能。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】樊昌信等.通信原理（第6版）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.10.秦順友等.衛(wèi)星通信地面站天線工程測(cè)量技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2006.3.閔士權(quán).衛(wèi)星通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.5.米慧勇，袁博.衛(wèi)星天線極化隔離度的測(cè)量與調(diào)整[J].有線電視技術(shù)，2011.許國(guó)慶.衛(wèi)星天線極化隔離度在軌測(cè)試方法與誤差分析[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2009.孫晨光.地面站衛(wèi)星天線極化調(diào)整方法[J].科技風(fēng)，2017.宋波濤.接收線極化衛(wèi)星信號(hào)時(shí)天線極化的調(diào)整[J].廣播與電視技術(shù)，1988.施劍.淺談極化角對(duì)衛(wèi)星接收信號(hào)的影響[J].互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，1994.何建文.數(shù)字衛(wèi)星電視接收天線仰角方位角極化角調(diào)試探