數(shù)字衛(wèi)星接收天線極化方式分析和調(diào)整

林集敏

（國家新聞出版廣電總局2023臺，海南三亞 571800）

在我國衛(wèi)星發(fā)展的早期，由于當(dāng)時世界各國衛(wèi)星數(shù)量不多，頻道占用不擁擠，上星節(jié)目也不多，衛(wèi)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(chǎn)生較大的影響，因而在接收天線的安裝、調(diào)試過程中，極化調(diào)整常常不被重視。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，世界格局發(fā)生巨大變化，衛(wèi)星及上星節(jié)目數(shù)量越來越多，頻道越來越擁擠，所以極化復(fù)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(wèi)星接收天線，而是衛(wèi)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(guī)律。當(dāng)衛(wèi)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(dāng)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(dāng)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(wèi)星廣播和通信領(lǐng)域，一般都不采用橢圓極化的方式，因為在一個周期內(nèi)，電場的大小和方向都發(fā)生變化，接收端不容易接收信號，接收設(shè)備也會變的復(fù)雜。

1.2 極化隔離

為了科學(xué)合理地利用衛(wèi)星頻率資源，提高帶寬利用率，在數(shù)字衛(wèi)星廣播通信中，采用的最經(jīng)濟的方法就是頻率復(fù)用技術(shù)，即在同一頻帶內(nèi)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(wèi)星信號之間的相位相差九十度的條件，這種衛(wèi)星信號的極化隔離方法，可以讓兩種衛(wèi)星信號之間不會發(fā)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(wèi)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(qū)域性廣播通信衛(wèi)星中常用的極化隔離方式，優(yōu)點是接收設(shè)備簡單，造價低，但工程時，接收天線調(diào)整調(diào)試過程相對復(fù)雜，需要一定的專業(yè)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(zhuǎn)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(wèi)星普遍采用圓極化方式，優(yōu)點是接收天線調(diào)整簡單，但設(shè)備相對復(fù)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(shù)字衛(wèi)星接收天線的極化調(diào)整

由于洲際衛(wèi)星和區(qū)域性衛(wèi)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(zhuǎn)化接收，所以，一般衛(wèi)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(wèi)星信號的調(diào)整方法

洲際衛(wèi)星大多是圓極化方式，在衛(wèi)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(dǎo)，之所以采用圓波導(dǎo)，是為了確保衛(wèi)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(wèi)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(dǎo)的結(jié)構(gòu)設(shè)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(dǎo)，只能接收線極化波，因此在饋源內(nèi)部必須設(shè)有一個圓矩變換段，將圓波導(dǎo)逐步過渡到矩形波導(dǎo)。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(shè)法同相，才可以被矩形波導(dǎo)的高頻頭接收。

在衛(wèi)星接收天線中采用90°移相器實現(xiàn)圓極化到線極化轉(zhuǎn)化的。常用的轉(zhuǎn)化方法有介質(zhì)移相和銷釘移相兩種方法，介質(zhì)移相用于前饋天線，銷釘移相用于后饋天線。介質(zhì)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(zhì)片，固定在饋源的圓波導(dǎo)內(nèi)，方向是圓波導(dǎo)的直徑方向，這樣當(dāng)平行于介質(zhì)片的電場和垂直于介質(zhì)片的電場通過介質(zhì)片時，由于介質(zhì)片的電磁特性導(dǎo)致介質(zhì)片對平行性介質(zhì)的電場與對垂直于介質(zhì)的電場的影響大不相同，導(dǎo)致兩個方向的電場的相位速度發(fā)生改變，平行于介質(zhì)片的電場相位速度改變較少，可以忽略不計，而垂直于介質(zhì)的電場的相位改變很大，相位產(chǎn)生90°相移，從而實現(xiàn)圓極化向線極化的轉(zhuǎn)變。而銷釘移相對用于后饋饋源，一般是在波導(dǎo)內(nèi)，安裝奇數(shù)對銷釘，銷釘?shù)纳疃瓤梢哉{(diào)整。改變銷釘?shù)纳疃?，可以改變平行于銷釘排列方向的電場的電抗性質(zhì)，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(diào)整到合適位置，就可以實現(xiàn)平行于銷釘排列方向的電場發(fā)生90°移相，從而實現(xiàn)圓極化向線極化的轉(zhuǎn)變。通過調(diào)整極化器與地平面的角度，可以改變接收天線接收衛(wèi)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(wèi)星信號了。

在接收圓極化的衛(wèi)星信號時，接收天線的極化調(diào)整相對會簡單，只要將波導(dǎo)的旋向調(diào)節(jié)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(zhuǎn)化為線極化波時，其極化方向是與高頻頭矩形波導(dǎo)的窄邊方向平行的。衛(wèi)星接收天線接收信號必須經(jīng)過反射，其中前饋式接收天線要經(jīng)過一次反射，后饋式天線要經(jīng)過二次反射，經(jīng)過一次反射的前饋天線，反射波的旋向與入射波的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，左旋波成為右旋波，反之亦然。需要經(jīng)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(wèi)星信號旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)該為逆時針，左旋極化的衛(wèi)星信號旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)該為順時針。

2.2 接收線極化衛(wèi)星信號的調(diào)整方法

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

衛(wèi)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(wèi)星信號波束發(fā)射的線極化波是以衛(wèi)星的軸系為基準(zhǔn)定義的，而衛(wèi)星接收天線的線極化方向則以地平面為基準(zhǔn)，只有衛(wèi)星接收天線與衛(wèi)星定點經(jīng)度相同，兩者的角度才一致，如果接收地點的經(jīng)度與衛(wèi)星的經(jīng)度不同，兩者之間就會出現(xiàn)夾角，衛(wèi)星發(fā)射的線極化波與接收點的地平面就產(chǎn)生傾斜，與衛(wèi)星定點經(jīng)度相差越大夾角就越大，所以為了實現(xiàn)極化匹配，衛(wèi)星接收天線必須相對于地平面扭轉(zhuǎn)一個角度（即極化角α），使之與衛(wèi)星信號波束的線極化波的保持平行，才能使接收衛(wèi)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(dāng)衛(wèi)星位于正南方向時，極角為0°；當(dāng)衛(wèi)星位于正南偏西方向時，極化角大于0°；當(dāng)衛(wèi)星位于正南偏東方向時，極化角小于0°。對應(yīng)到具體調(diào)整衛(wèi)星接收天線就是：面對天線正面，對于前饋天線，當(dāng)極化角大于0°，矩形波導(dǎo)向逆時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)極化角小于零度，矩形波導(dǎo)則向順時針轉(zhuǎn)動；而對于后饋天線來說，由于波導(dǎo)位于天線后面，矩形波導(dǎo)口轉(zhuǎn)動方向與前饋天線剛好相反。

3 小結(jié)

衛(wèi)星接收天線的調(diào)整需要一定的理論知識和實際工作經(jīng)驗。在實際工作中，工程人員往往重視接收衛(wèi)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(jié)合自己曾經(jīng)掌握的知識，對衛(wèi)星接收天線極化調(diào)整做深入的探析，希望對實際工作人員能夠起到幫助。

[1]克勞斯，馬赫夫克.天線[M].3版.電子工業(yè)出版社，2011.

[2]丁榮林，李媛編.微波技術(shù)與天線[M].2版.機械工業(yè)出版社，2013.