“動中通”接收天線極化匹配及跟蹤技術研究

王道平,陳輝華,何 敏

摘 要:為了穩(wěn)定“動中通”接收天線的極化軸,克服波束滾動引起的交叉極化干擾,從而提高“動中通”通信質量。以波束實時對準為依據(jù),分析極化匹配的原理,研究“動中通”中交叉極化干擾的產(chǎn)生途徑。利用坐標旋轉變換導出極化角的計算公式,討論極化跟蹤的必要性,建立極化跟蹤的模型。采用電子變極化技術設計了適用于平板天線的“全電子”新型極化跟蹤網(wǎng)絡,闡述該網(wǎng)絡的工作原理,為“動中通”的極化跟蹤提供了新的途徑。

關鍵詞:動中通;極化匹配;交叉極化干擾;極化跟蹤

中圖分類號:TN927+.23文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)12-103-03

Research on Polarization Matching and Polarization Tracking about Satcom on

Move Received Antenna System

WANG Daoping,CHEN Huihua,HE Min

(The Second Artillery Engineering Institute,Xi′an,710025,China)

Abstract:To stabilize polar axis and overcome cross-polar interference,the theory for matching polarization is analyzed based on how to aim at the antenna wave beam in time.The way which the cross polarization interference results from is also investigated and the formula used to calculate polar angle is deduced from the coordinate revolving.The necessity to track polarization is argued.A model to track polarization axis is founded.A new polarization tracking network which is controlled electrically and specially applied on the panel antenna is designed based on the electronic polarization-agile technology.The theory how the network works is also expounded.A new method to track polarization axis is achieved through the thesis.The works achieved in this thesis is proposed to enhance the quality of Satcom on the move.

Keywords:satcom on the move;polarization matching;cross-polarization interference;polarization tracking

0 引 言

移動中的衛(wèi)星通信——“動中通”(Satcom on the Move)利用衛(wèi)星作為中繼,可以在移動載體(運動中的車、船等)雙方實現(xiàn)實時、大容量、不間斷地傳遞多媒體信息,因而成為通信業(yè)最具前景的發(fā)展方向之一?！皠又型ā钡年P鍵技術在于如何實現(xiàn)安裝在移動載體上的天線對衛(wèi)星波束的實時跟蹤,從而實現(xiàn)雙方的穩(wěn)定通信。

天線對衛(wèi)星的波束跟蹤包括波束指向跟蹤與極化跟蹤。波束指向跟蹤保證載體在移動中天線波束的軸線與衛(wèi)星波束軸線的實時對準。極化跟蹤保證天線的極化與衛(wèi)星的極化實時匹配。目前國內的“動中通”大多只對波束指向的跟蹤進行研究。理論與實踐均證明如果天線的極化與衛(wèi)星的極化不匹配會對通信質量產(chǎn)生嚴重的影響,甚至造成通信的暫時中斷[1]。因此有必要對極化的匹配及跟蹤進行研究。

1 極化匹配

電磁波的極化定義為電場矢量的振蕩方向。如果電場矢量在與傳播方向相垂直的平面上的投影是直線,則稱為線極化波。國家標準規(guī)定,國內衛(wèi)星系統(tǒng)均采用線極化方式[2]。天線輻射或接收的電磁波均具有特定的極化方向。當接收天線與發(fā)射天線的極化方向不一致時會引起接收信號質量的降低。極化匹配就是研究如何調整天線的極化使之與衛(wèi)星的極化相一致。

在衛(wèi)星通信中地面接收天線的極化與衛(wèi)星轉發(fā)器極化定義的基準不同,這就使接收天線的極化面與衛(wèi)星天線的極化面之間有一個夾角,這一夾角稱為極化偏角,如圖1所示。

極化偏角的計算公式如下[3,4]:

θs=arctan(sin Δφ/tg γ)(1)

式中:Δφ為載體所在位置與衛(wèi)星的經(jīng)度差;γ為載體所在處的緯度。

2 交叉極化干擾分析

為了緩解日趨緊張的頻譜資源,衛(wèi)星通信普遍采用正交極化的頻率復用技術[5]。理想情況下正交極化端口間應該互不影響,但實際上對于正交雙線極化接收而言,水平極化的接收天線也能接收到衛(wèi)星發(fā)來的垂直極化信號;同理垂直極化的接收天線中也能接收到衛(wèi)星發(fā)來的水平極化信號,從而產(chǎn)生交叉極化干擾。其產(chǎn)生原因主要有2種:極化誤差角和大氣降雨等的去極化效應。

圖1 極化角示意圖

2.1 極化角的擾動

對于固定接收站,極化角是固定的,其值可由式(1)計算。對于“動中通”接收天線,由于載體在行使中會遇到崎嶇、坡度等各種路況,因此載體的姿態(tài)是時變的。這種變化表現(xiàn)為橫滾、縱搖和偏航三個角度的變化。載體姿態(tài)的變化通過天線座耦合到天線板,從而引起天線對星所需的方位、俯仰、極化三個角度的變化。把這種時變的極化角稱為極化源轉角,在具體操作中它表示為波束對準而需要繞天線波束主軸旋轉饋源的角度。極化源轉角的計算公式如下[6]。

γ=arctan(-T1/T2)(2)

式中:

T1=(cos Vcos A+sin Vsin Asin E)?

(sin θcos ψ-cos θsin ψsin φ)+

(-cos Vsin A+sin Vcos Asin E)?

(-sin θsin ψ-cos θcos ψsin φ)+

(-sin Vcos E)(cos θcos φ)(3)

T2=(sin Vcos A-cos Vsin Asin E)?

(sin θcos ψ-cos θsin ψsin φ)+

(-sin Vsin A-cos Vcos Asin E)?

(-sin θsin ψ-cos θcos ψsin φ)+

(cos Vcos E)(cos θcos φ)(4)

式中:ψ,φ,θ是載體在地理坐標系中的姿態(tài)角。其中,ψ指載體縱軸沿前進方向在水平面上的投影與正北的夾角,以順時針為正;φ指載體縱軸軸向與水平面的夾角,以向上為正;θ指載體繞自身縱軸轉過的角度,以逆時針為正,當載體縱軸平行于水平面時為零。ψ,φ,θ可由天線座上的姿態(tài)測量元件實時讀出;A,E,V是理想指向波束在地理坐標系中的姿態(tài)角,其中A表示波束軸線在水平面上的投影與正北的夾角,以順時針為正;E表示波束軸線與水平面的夾角,以向上為正;V表示為極化匹配而需要調整的極化角,即波束繞自身軸線轉過的角度,以逆時針為正。A,E,V可由以下公式計算得到[3]:

A=180+arctan[tan(L1-L2)/sin B](5)

E=arctancos Bcos(L1-L2)-0.1511-[cos Bcos(L1-L2)]2(6)

V=arctan[sin(L1-L2)/tan B](7)

由此可見,載體姿態(tài)的變化會引起極化源轉角的變化,從而引起交叉極化干擾。

2.2 大氣去極化

影響較大的是對流層中的多經(jīng)效應,降雨去極化以及電離層的法拉第旋轉相應。由于去極化現(xiàn)象使得線極化波穿過大氣層后偏離原來的指向,從而引起接收端的交叉極化干擾。

綜上所述,由于交叉極化干擾的存在使得雙極化接收天線的同極化端口也能收到交叉極化的信號,如圖2所示。接收天線中收到的同極化信號和交叉極化信號的比值定義為交叉極化隔離度(XPD),它是衡量交叉極化干擾程度的量值。為了保證穩(wěn)定可靠的通信,通常要求天線的XPD大于30 dB[7]。

如圖2所示XPD可用下式計算:

XPD=(EV2/EH2)2(8)

圖2 雙極化接收示意圖

3 極化跟蹤方案

第1節(jié)和第2節(jié)分別討論了極化匹配和交叉極化干擾。結論是:為了在運動中進行衛(wèi)星通信,接收站天線的極化必須和衛(wèi)星的極化實時匹配以消除交叉極化干擾。

極化的實時匹配可以通過極化跟蹤網(wǎng)絡來實現(xiàn)。

針對極化誤差角引起的交叉極化干擾,可以通過調整天線的極化指向,使之達到相應的角度來抵消干擾。調整方法有多種,固定接收站通常采用手動旋轉饋源的高頻頭來調整[8],“動中通”接收天線通常采用極化調整電機,由電機驅動高頻頭實時調整極化源轉角。手動和電動極化調整都需要饋源高頻頭的物理移動。然而對于具有廣闊發(fā)展前景的“低輪廓動中通”而言,為了降低天線的高度普遍采用平板相控陣天線,這種天線的饋源相對于天線板是固定的。對于不便移動饋源的天線,極化指向的調整,可以采用電子變極化方式來實現(xiàn)。

針對降雨去極化等隨機極化干擾,可以通過設計自適應交叉極化干擾抵消器(XPIC)來抵消干擾。XPIC的基本原理是利用干擾信號經(jīng)過適當?shù)姆群拖辔蛔儞Q產(chǎn)生出與原干擾信號等幅反相的信號,該信號與有用信號相疊加,從而消除有用信號中的干擾信號[9]。XPIC可以在基帶、中頻或射頻段實現(xiàn)。這里的研究在射頻實現(xiàn)XPIC。

基于以上兩點,設計了圖3所示的適用于低輪廓“動中通”的極化跟蹤網(wǎng)絡。

圖3 極化跟蹤網(wǎng)絡

該網(wǎng)絡由雙極化天線、極化調整單元、極化控制單元、傳感器和雙極化輸出(H,V)端口組成。其中,極化調整單元包括2個3 dB電橋和1個可調移相器。

從功能上,網(wǎng)絡分為開環(huán)和閉環(huán)兩大部分。開環(huán)部分的傳感器有GPS和慣性測量元件,閉環(huán)部分的傳感器是微波探測器。所有傳感器的信號都送到極化控制單元,極化控制單元對來自傳感器的信號進行處理,然后產(chǎn)生,控制信號驅動可變移相器φ產(chǎn)生相應的相移量,從而消除交叉極化干擾,實現(xiàn)對衛(wèi)星極化的實時跟蹤。

開環(huán)部分完成極化誤差角(包括極化偏角和極化源轉角)的調整。可以證明,當極化誤差角為θ時,只需使可變移相器的相移量為2θ便可以消除誤差。

閉環(huán)部分實現(xiàn)自適應交叉極化干擾抵消。其中的微波探測器可以是幅度傳感器或者相位傳感器(相位探測器)。如果采用相位探測器,當輸出信號中有交叉極化干擾存在時,干擾信號與有用信號存在隨機的相位差,此時相位探測器有誤差信號輸出,經(jīng)極化控制單元處理后輸出移相器的驅動信號,驅動移相器產(chǎn)生相移使干擾向減小的方向移動,從而實現(xiàn)閉環(huán)的跟蹤。無論采用何種傳感器,在此過程中設計有效的跟蹤算法是至關重要的。

就系統(tǒng)整體而言,開環(huán)部分可以作為極化的粗調,閉環(huán)部分可以作為極化的微調。整個系統(tǒng)的工作過程可簡述如下:

在衛(wèi)星的初始捕獲階段,極化控制單元利用GPS接收機送來的載體經(jīng)緯度,并結合所選的通信衛(wèi)星的經(jīng)度,利用式(1)由計算程序,算出對準衛(wèi)星所需的極化偏角式,計算出極化偏角V驅動移相器移相2V。載體的移動過程中,極化控制器定時讀取載體的姿態(tài)信息,由式(2)計算極化源轉角γ,驅動移相器移相2γ,讀傳感器的頻率可依據(jù)載體的行使環(huán)境靈活設置。在極化誤差角糾正的間隙由XPIC完成極化的微調。

4 結 語

極化匹配和跟蹤對于提高“動中通”通信質量具有重要意義。以“動中通”接收天線的波束實時對準為基礎,分析極化匹配的原理、極化擾動的來源,得到極化偏角和極化源轉角的計算公式,設計了全電子的極化跟蹤網(wǎng)絡。

參考文獻

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