衛(wèi)星通信中交叉極化干擾現(xiàn)象與處理方法

谷平反，崔 偉

（武警石家莊士官學(xué)校，河北石家莊 050061）

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、航天技術(shù)和半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信正在以日新月異的速度發(fā)展。衛(wèi)星通信有許多其他通信方式無法替代的優(yōu)點(diǎn)，如：通信距離遠(yuǎn)、建立成本與通信距離無關(guān)、多址鏈接、通信容量大等。但由于通信體制的原因，衛(wèi)星通信也存在一些典型的干擾：日凌干擾、鄰星干擾、反極化干擾、互調(diào)干擾、相鄰信道干擾等。而這些干擾當(dāng)中交叉極化干擾人為因素大，造成的影響較嚴(yán)重，因此認(rèn)識(shí)交叉極化干擾產(chǎn)生的原因，熟悉交叉極化干擾的特征，掌握減少交叉極化干擾的方法就成了當(dāng)務(wù)之急［1－4］。

1 交叉極化干擾產(chǎn)生的原因

1.1 極化角

天線中現(xiàn)有的極化方式為線極化和圓極化兩種。線極化方式又分為水平極化和垂直極化，圓極化分為左旋極化和右旋極化。以線極化為例（圓極化不需要極化角調(diào)整），其中“水平”和“垂直”一般指的是電磁波中的電場(chǎng)矢量方向同地球表面的夾角。電場(chǎng)矢量方向如果同地球表面夾角為90°，則為垂直極化，如果電場(chǎng)矢量方向平行地球表面，則為水平極化。為保證信號(hào)的有效輻射和接收信號(hào)強(qiáng)度最大，要求衛(wèi)星發(fā)射天線與接收天線滿足極化匹配的條件。

在距離近的情況下，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可以近似認(rèn)為在同一水平面上，因此只要滿足極化匹配的條件就可以達(dá)到接收信號(hào)強(qiáng)度最大的要求，但是在距離遠(yuǎn)的情況下就必須要考慮地球曲率的影響，由于地球呈球形，不同的地面站又處在不同的經(jīng)緯度，衛(wèi)星地面站天線同衛(wèi)星天線的極化方向參考平面就不一樣，如圖1所示。

圖1 極化角的產(chǎn)生Fig.1 Generation of polarization angle

假定衛(wèi)星波束中心與衛(wèi)星同經(jīng)度，那么與星下點(diǎn)同經(jīng)度（但緯度不同）的非星下點(diǎn)接收天線能很好地與衛(wèi)星輻射電磁波匹配，而與星下點(diǎn)不同經(jīng)度的非星下點(diǎn)接收天線的極化必須旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度才能與衛(wèi)星電波相匹配，這個(gè)旋轉(zhuǎn)的角度就叫做極化角，這個(gè)極化角也等于星下點(diǎn)的接收天線所在的地平面與非星下點(diǎn)的接收天線所在的地平面之間的交角。

1.2 極化隔離頻率復(fù)用技術(shù)

為了充分利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的頻率資源，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器通常采用極化隔離頻率復(fù)用技術(shù)，它是指2個(gè)波束的指向區(qū)域可能是重疊的并且使用相同的頻率，但通過使用不同的極化方式來實(shí)現(xiàn)信號(hào)之間的隔離，即一個(gè)信號(hào)波用水平極化，另一個(gè)信號(hào)波用垂直極化；或一個(gè)信號(hào)用右旋極化，另一個(gè)信號(hào)用左旋極化。鑫諾5號(hào)衛(wèi)星Ku頻段的16個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器就采用了水平與垂直的雙線極化［5］，如圖2所示。

圖2 鑫諾5號(hào)Ku波段頻率計(jì)劃表Fig.2 Sino 5’s frequency schedule in Ku－waveband

圖2中上行鏈路的2A 和2B 就會(huì)有頻率的重疊，只是發(fā)射信號(hào)的極化方式不同。

地球站接收或發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，需要采用相應(yīng)的極化方式，并將天線極化角調(diào)整到最合適的位置，使接收信號(hào)最強(qiáng)，有效發(fā)射功率最大，保證信號(hào)不泄漏到另外一個(gè)極化。信號(hào)使用的極化稱為主極化，另外一個(gè)極化稱為交叉極化或反極化。由于極化角調(diào)整不合適，信號(hào)泄漏到另外一個(gè)極化，以至干擾其他極化同頻的用戶造成了交叉極化干擾。

2 交叉極化干擾的特征及造成的后果

交叉極化干擾一般可以分為上行交叉極化干擾和下行交叉極化干擾。上行交叉極化干擾一般是地面站用戶發(fā)射信號(hào)時(shí)，未調(diào)整好極化角或發(fā)射功率過高造成的。下行交叉極化干擾是指衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射的信號(hào)極化隔離度不夠。一旦衛(wèi)星發(fā)射上空，下行交叉極化干擾不容易調(diào)整，人為因素不大，這里主要關(guān)注上行交叉極化干擾［6－10］。

2.1 交叉極化干擾的特征

交叉極化發(fā)生時(shí)，它的干擾幅度一般比正常載波要低，頻譜上表現(xiàn)為在反極化的同頻有相同頻譜的載波存在。一般產(chǎn)生的原因是用戶發(fā)射的極化角未調(diào)整好，導(dǎo)致信號(hào)泄漏到另外一個(gè)極化的轉(zhuǎn)發(fā)器。交叉極化干擾頻譜圖見圖3。

圖3 交叉極化干擾頻譜圖Fig.3 Frequency spectrum of cross polarization interference

從圖3中可以看到12.334 35GHz附近，由于B轉(zhuǎn)發(fā)器的用戶1未調(diào)整好極化角，產(chǎn)生信號(hào)的泄漏，使得A 轉(zhuǎn)發(fā)器在同頻處產(chǎn)生了一個(gè)幅度比正常載波低的反極化干擾。相同的是在12.336 75GHz和12.331 15GHz附近由于A 轉(zhuǎn)發(fā)器用戶2和用戶3的原因，在B 轉(zhuǎn)發(fā)器相同頻率的位置上產(chǎn)生了反極化干擾。

2.2 交叉極化造成的后果

交叉極化干擾會(huì)影響3類用戶：網(wǎng)內(nèi)主極化用戶本身、相鄰頻段網(wǎng)內(nèi)其他用戶和另外一個(gè)交叉極化轉(zhuǎn)發(fā)器同頻段的用戶。

一個(gè)典型的實(shí)例，某集團(tuán)網(wǎng)用戶在使用衛(wèi)星建立視頻通信的過程中，發(fā)現(xiàn)有馬賽克、卡頓的現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)采樣的頻譜圖如圖4所示。

圖4 采樣頻譜圖Fig.4 Sampling frequency spectrum diagram

A 轉(zhuǎn)發(fā)器上的用戶1和用戶3在發(fā)射信號(hào)時(shí)，由于極化角調(diào)整不合適，產(chǎn)生交叉極化干擾。用戶1比用戶3 產(chǎn)生的交叉極化干擾更嚴(yán)重，在用戶1頻譜的邊緣已經(jīng)產(chǎn)生了“階梯”。由于用戶1使用的頻段周圍沒有其他用戶，不會(huì)對(duì)網(wǎng)內(nèi)其他用戶產(chǎn)生影響，但是由于信號(hào)的功率一部分泄漏到另外一個(gè)極化，必然會(huì)影響自己的正常通信。同時(shí)這部分泄漏到另外一個(gè)極化的信號(hào)，對(duì)于背面的B 轉(zhuǎn)發(fā)器來說，就是噪音，毫無疑問也會(huì)影響到B 轉(zhuǎn)發(fā)器用戶使用同頻率通信。用戶3雖然交叉極化干擾并不是很嚴(yán)重，但由于用戶2使用的頻率離用戶3較近，交叉極化在影響用戶3自己的同時(shí)，也改變了用戶2的頻譜結(jié)構(gòu)，影響到了用戶2的正常使用。此時(shí)用戶1通信效果最差，誤碼率大，無法正常進(jìn)行通信，用戶3表現(xiàn)為偶爾的馬賽克的出現(xiàn)，但用戶2和用戶3總體來說還是可以通信的。用戶1此時(shí)錯(cuò)誤的認(rèn)為，通信效果差是因?yàn)榘l(fā)射功率低，就加大了自己的發(fā)射功率，導(dǎo)致更大的交叉極化信號(hào)泄漏到B 轉(zhuǎn)發(fā)器，同時(shí)自身邊緣的“階梯”大量出現(xiàn)，甚至影響到了本網(wǎng)內(nèi)的用戶2和用戶3，使原本還可以正常通信的用戶2和用戶3徹底無法通信。當(dāng)時(shí)的采樣頻譜圖如圖5所示。

圖5 用戶1增大發(fā)射功率后的頻譜圖Fig.5 Frequency spectrum after increasing the transmitted power

3 交叉極化干擾的處理方法

毫無疑問交叉極化干擾造成的影響較大，不僅會(huì)影響到自己（主極化用戶、網(wǎng)內(nèi)相鄰頻段用戶），還會(huì)影響到別人（交叉極化轉(zhuǎn)發(fā)器同頻段用戶），因此盡量減小交叉極化干擾的產(chǎn)生，對(duì)保證衛(wèi)星通信的效果起到關(guān)鍵性的作用。減小交叉極化干擾的主要處理方法如下。

3.1 入網(wǎng)前，嚴(yán)格進(jìn)行開通測(cè)試

地面站在入網(wǎng)前，必須要進(jìn)行嚴(yán)格的極化隔離度和功率標(biāo)定兩項(xiàng)測(cè)試。極化隔離度是信號(hào)主極化分量和交叉極化分量功率之比。這個(gè)比值越大，說明天線極化角調(diào)整的越合適，泄漏到交叉極化的信號(hào)就越小。調(diào)試的目的就是為了盡量加大主極化分量，減小交叉極化分量。功率標(biāo)定是為了轉(zhuǎn)發(fā)器的工作能在線性區(qū)域，保證不同的用戶載波具有相同的功率譜密度，而對(duì)地面站的發(fā)射電平進(jìn)行標(biāo)定。

3.2 入網(wǎng)后，定期檢查，排除隱患

即使通過開通測(cè)試滿足要求的地球站，隨著時(shí)間的推移，也會(huì)由于各種原因造成極化隔離度下降帶來反極化干擾。因此要定期對(duì)地面站進(jìn)行檢查，檢查的項(xiàng)目有：

1）地球站天線指向是否誤差過大；

2）極化器是否挪位，由于各種原因造成極化器偏離原來的位置；

3）天線饋源膜是否損壞，饋源內(nèi)是否填充其他物質(zhì)；

4）地球站發(fā)射功率是否過大；

5）地球站搬遷后，需要重新進(jìn)行極化隔離度和發(fā)射功率的標(biāo)定。

3.3 建鏈時(shí)，規(guī)范操作，及時(shí)調(diào)整

為了保證每次建鏈的通信效果，操作時(shí)要規(guī)范，并且要及時(shí)調(diào)整。在實(shí)際的極化角調(diào)整中，可分以下3步。

1）粗調(diào) 先按計(jì)算所得的仰角、方位角和極化角調(diào)整天線指向及饋源旋轉(zhuǎn)角度，使仰角、方位角最佳并鎖定天線指向。

2）細(xì)調(diào) 用頻譜分析儀、AGC電壓或衛(wèi)星接收機(jī)中的信號(hào)強(qiáng)度指示條等方法精確調(diào)整。由于頻譜儀價(jià)格高，所以在實(shí)際操作中都使用方便簡單的AGC電壓法和衛(wèi)星接收機(jī)中的信號(hào)強(qiáng)度指示條法。

3）及時(shí)調(diào)整 建立鏈路的通信過程后，地面站不停機(jī)，由衛(wèi)星公司隨時(shí)監(jiān)測(cè)地面站的極化隔離度的大小。地面站操作人員反復(fù)調(diào)整極化角使“極化隔離度”穩(wěn)定在一個(gè)最大數(shù)值上，之后固定極化角、標(biāo)注位置，完成調(diào)整。

4 結(jié) 語

操作衛(wèi)星地面站時(shí)，只要做到嚴(yán)格遵循入網(wǎng)開通測(cè)試、日常操作規(guī)程，定期進(jìn)行檢查維護(hù)，就可以將影響衛(wèi)星通信中人為因素較大的交叉極化干擾現(xiàn)象減到最小，使衛(wèi)星通信在現(xiàn)實(shí)的生活和工作中發(fā)揮更大的作用。

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