衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的交叉極化研究

辛德成，劉飛飛，賈亦真

（中國衛(wèi)通集團股份有限公司，北京 100094）

1 引言

極化隔離度測試是在衛(wèi)星天線入網(wǎng)測試中必不可少的一項，如果極化隔離度不合格，就會造成上行功率不足甚至是干擾反極化業(yè)務(wù)的現(xiàn)象。本文首先介紹交叉極化的概念，并對如何調(diào)整天線的極化隔離度作詳細介紹，最后以實例的形式分析交叉極化干擾的排查與定位。希望能夠引起衛(wèi)星通信用戶對極化隔離度測試的重視，并對不合格站點采取正確的處理方法。

2 基本概念

電磁波的極化是指瞬間電場分量隨時間變化的方式。如果電磁場的電場矢量投影在傳播方向垂直平面的軌跡為直線，則稱為線極化；如果投影為圓或橢圓，則稱之為圓極化或者橢圓極化。

2.1 極化復(fù)用

衛(wèi)星通信載荷設(shè)計為了充分利用有限的頻譜資源，通常采用正交極化頻率復(fù)用方式，即：一個信號用水平極化，另一個信號用垂直極化；或一個信號用右旋極化，另一個信號用左旋極化。這樣在兩個波束的指向區(qū)域重疊并且使用相同的頻率時，通過使用的極化方式不同來實現(xiàn)信號之間的隔離，就能同時轉(zhuǎn)發(fā)兩路信號，相當于將帶寬拓展一倍。

一般通信衛(wèi)星都采用由垂直極化和水平極化構(gòu)成的雙線極化頻率復(fù)用方式，因此本文僅對衛(wèi)星通信廣播中通常采用的正交線極化方式進行討論。

2.2 極化角

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的天線極化與地面站的天線極化定義的基準不同。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的天線極化是以赤道平面為基準，平行于赤道平面為水平極化，垂直于赤道平面為垂直極化；地面站的天線極化是以地平面為基準，饋源矩形波導(dǎo)口窄邊平行于地平面為水平極化，垂直于地平面為垂直極化。如圖1所示：

很顯然，如果與衛(wèi)星同經(jīng)度的地球站天線就能與衛(wèi)星輻射的電磁波恰好匹配，如果與衛(wèi)星經(jīng)度不同的地球站天線必須旋轉(zhuǎn)一個角度才能做到相互匹配。需要旋轉(zhuǎn)的這個角度θ我們就定義為極化角，其理論值計算公式如式（1）所示：

圖1 極化角示意圖

式中，Δα是衛(wèi)星經(jīng)度與地面天線所在經(jīng)度差（如果衛(wèi)星波束中心與衛(wèi)星經(jīng)度相差較大，則Δα取波束中心與地面天線所在經(jīng)度差）；β是地面天線所在緯度。

2.3 衛(wèi)星天線交叉極化隔離度

極化隔離度，即衛(wèi)星公司通常簡稱的CPI（或者稱為XPLO），指的是正極化方向傳輸?shù)挠杏眯盘柵c交叉極化方向泄漏的信號功率之比。

圖2 信號傳播示意簡圖

如圖2所示，其數(shù)學(xué)表達式為：

由此可知，無論是上行發(fā)射天線還是下行接收天線，極化隔離度的精確調(diào)整都是非常重要。發(fā)射天線對衛(wèi)星的入網(wǎng)驗證時，如果極化隔離度指標不達標，不僅使正極化方向上的傳輸信號收到傳輸衰減，而且其反極化泄漏信號將會干擾反極化頻帶上 的業(yè)務(wù)。對于接收天線，極化隔離度指標不合格，天線接收正極化業(yè)務(wù)的同時會收到較強的反極化業(yè)務(wù)信號，對正極化接收信號形成干擾，影響接收業(yè)務(wù)質(zhì)量。

結(jié)合式（2），在理想狀態(tài)下，極化隔離度還可以通過式（3）得到：

式中，Δθ是極化角偏差，也就是實際極化角與理論化角的差值。當Δθ=1.8度時，CPI約為30db。通常衛(wèi)星公司對極化隔離度都有強制性要求，例如中國衛(wèi)通和亞洲衛(wèi)星公司要求至少30db，亞太衛(wèi)星公司要求至少33db。

3 交叉極化隔離度的測量與調(diào)整方法

為保證擬入網(wǎng)用戶地球站及其通信鏈路的順利開通，也為了防止性能不合格用戶地球站以及未標定載波進入衛(wèi)星公司的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)而造成干擾，通常衛(wèi)星公司均有規(guī)定：任何準備進入其衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運行的地球站，必須進行入網(wǎng)測試。

發(fā)射天線極化隔離度是入網(wǎng)測試的必做項目，而單向接收天線的接收極化隔離度由用戶自行調(diào)整。理論上根據(jù)收發(fā)互易的原理，發(fā)極化隔離最佳極化角度同樣也是收極化隔離最佳的極化角度。由于制作工藝達不到理論值，往往會產(chǎn)生偏差，當發(fā)射極化是最好的時候，收極化并沒有達到最好，如圖3所示。工程上通常以發(fā)射極化為準，衛(wèi)星公司也是執(zhí)行同樣的標準。

圖3 天線方向圖測試結(jié)果

3.1 靜態(tài)站天線發(fā)射交叉極化隔離度驗證測試方法

靜態(tài)站衛(wèi)星天線極化隔離度測試方法與步驟：

⊙ 用戶先按計算所得的俯仰角、方位角和極化角調(diào)整天線指向及饋源旋轉(zhuǎn)角度，使俯仰角、方位角最佳并鎖定天線指向。

⊙ 聯(lián)系衛(wèi)星公司在一段沒有反極化業(yè)務(wù)的指定頻點上發(fā)一個單載波，由衛(wèi)星公司利用參考天線協(xié)助用戶調(diào)測天線極化角。

⊙ 在衛(wèi)星公司的配合下調(diào)整天線的饋源，方位角，俯仰角等使天線符合標準。

圖4 靜態(tài)地球站發(fā)射交叉極化隔離度測試系統(tǒng)示意圖

3.2 動態(tài)站發(fā)射交叉極化隔離度驗證測試方法

移動平臺地球站動態(tài)發(fā)射交叉極化隔離度測試步驟如下：

⊙ 協(xié)測站和被測站確認入網(wǎng)所使用的衛(wèi)星和極化方式。

⊙ 被測站天線在平臺靜止的狀態(tài)下使用自動跟蹤功能完成對星，稍后切換到手動模式。

⊙ 協(xié)測站知道被測站在測試頻率發(fā)射一個高于35db單載波。

⊙ 被測站將發(fā)射載波開關(guān)幾次以使協(xié)測站確認測試的載波正確。

⊙ 協(xié)測站為被測站進行極化隔離度測試，將極化隔離調(diào)整到大于30db（根據(jù)每個衛(wèi)星公司標準不同進行調(diào)整）。這里的調(diào)整只是調(diào)整饋源（雙工器），不能對方位、俯仰進行調(diào)整。

⊙ 將調(diào)整好極化隔離度被測站的饋源（雙工器）作為標準，切換到自動跟蹤模式下模擬平時使用情景，被測試平臺由靜止狀態(tài)切換到運動狀態(tài)。

⊙ 協(xié)測站進行持續(xù)測量，記錄被測站的極化隔離度。

⊙ 記錄中最差的極化隔離度值為最終被測站的極化隔離度值。

圖5 移動平臺地球站動態(tài)發(fā)射交叉極化隔離度測試系統(tǒng)示意圖

3.3 協(xié)測站測試方法

衛(wèi)星公司利用協(xié)測站對用戶天線進行隔離度測量，通常有兩種方法，即：換接收口測試和換發(fā)射口測試。

換接收口測試：

⊙ 將被測站所發(fā)單載波在規(guī)定極化調(diào)整到最大。

⊙ 協(xié)測站對接收天線的兩個極化端口進行互換，測量單載波的反極化載波功率。

⊙ 正極化載波的載噪比與反極化載波的載噪比相減，得出對應(yīng)的極化隔離度的結(jié)果。換發(fā)射口測試：

⊙ 將被測站所發(fā)單載波在規(guī)定極化調(diào)整到最大，記錄下當下時刻的極化角度。

⊙ 通知協(xié)測站進行最大保持并記錄，被測站將天線饋源口旋轉(zhuǎn)90度。

⊙ 協(xié)測站記錄當下時刻載波的載噪比，并將之前記錄的工作極化的載波的載噪比減去現(xiàn)在載波載噪比，最終得出極化隔離度結(jié)果。

3.4 衛(wèi)星公司協(xié)助測試重要性

許多公司有相應(yīng)的數(shù)字頻譜儀能夠自行監(jiān)測載波，有自行調(diào)整極化隔離度的能力，或者自己能夠利用頻譜儀進行換收口測試，最終調(diào)整極化隔離度。這樣做也存在一些弊端：

⊙ 自行尋找頻點進行測試不利于業(yè)務(wù)管理。

⊙ 可能會因為操作不當或測試完成未關(guān)閉載波造成干擾（工信部印發(fā)《無線電干擾投訴和查處工作暫行辦法》中明確提到如造成衛(wèi)星干擾將會嚴肅處理）。

⊙ 自己的下行設(shè)備不如衛(wèi)星公司專業(yè)，造成數(shù)據(jù)差別過大，衛(wèi)星公司對所測試結(jié)果不認可。

⊙ 測試頻點正反極化轉(zhuǎn)發(fā)器的增益檔不同，測出結(jié)果差距較大（如圖6所示）。

圖6 正反兩個極化的增益檔不同示意圖

⊙ 頻點不能選在轉(zhuǎn)發(fā)器的保護帶上，否則對測試的整體結(jié)果有很大影響。

⊙ 帶寬不能夠小于100K。

⊙ 轉(zhuǎn)發(fā)器不能處于飽和狀態(tài)下進行調(diào)制，必須確定測試轉(zhuǎn)發(fā)器是處于線性狀態(tài)。

4 交叉極化干擾

理論上，兩個極化完全正交的信號之間不會產(chǎn)生任何干擾。但是，現(xiàn)實中天線不可能對每種極化都完全匹配，總會有一些能量耦合到正交端口中，形成干擾。如圖7所示：

圖7 反極化干擾頻譜圖

4.1 反極化干擾產(chǎn)生原因

一個地球站產(chǎn)生反極化干擾的原因有：

⊙ 天線極化未調(diào)校好，或者天線未對準衛(wèi)星。

⊙ 較大口徑天線未開啟自動跟蹤功能。

⊙ 天線饋源薄膜受損，天線饋源或者發(fā)射波導(dǎo)中進入水蒸氣。

⊙ 天線極化隔離度不達標。

⊙ 標定極化隔離度過程中方法不夠準確。

⊙ 標定極化隔離度過程中存在降雨，日凌，電離層等外界不適條件。

4.2 反極化干擾識別排查方法

反極化干擾是衛(wèi)星通信最容易識別，也是最容易排查的一類干擾。

（1）查看相反極化轉(zhuǎn)發(fā)器上有無與干擾載波頻譜相似的載波，所謂相似，是指載波中心頻率完全相同，載波帶寬相近。

（2）使用CSM（載波數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)）載波參數(shù)分析功能進一步分析上述兩個載波的參數(shù)是否相同，如是，則干擾即為反極化干擾。需要特別注意一點，有時相反極化轉(zhuǎn)發(fā)器上的載波帶寬與干擾載波帶寬看起來大不相同，如圖8所示，但該載波確實是產(chǎn)生反極化干擾的載波，因為使用CSM系統(tǒng)對該進行分析，分析出來的載波參數(shù)與干擾載波參數(shù)完全相同。

圖8 反極化干擾頻譜圖

（3）通過用戶載波和地球站管理數(shù)據(jù)庫查詢到相反極化轉(zhuǎn)發(fā)器上產(chǎn)生極化泄漏的用戶地球站名稱及其聯(lián)系方式。

（4）通過讓地球站關(guān)閉載波判定前期的判斷是否正確，如正確通知地球站調(diào)整天線極化隔離度。

4.3 反干擾處理方法

聯(lián)系產(chǎn)生極化泄漏的用戶地球站，要求其檢查并消除其天線產(chǎn)生的反極化干擾，消除反極化干擾的方法有：

⊙ 重新對星，重新校標天線極化角。

⊙ 開啟天線自動跟蹤功能。

⊙ 更換天線饋源薄膜，或者排空進入波導(dǎo)中的水蒸氣。

⊙ 更換天線的部分組成設(shè)備，比如天線饋源口的雙工器等。

⊙ 修理或者更換天線，使天線發(fā)射極化隔離度30dB（33db）以上。

5 利用反極化泄漏載波進行干擾定位

該章節(jié)我們結(jié)合一個實際案例講解。

用戶反映其租用頻段內(nèi)出現(xiàn)不明載波，但是網(wǎng)內(nèi)小站遍布全國各地，排查費時費力，毫無頭緒。這時衛(wèi)星公司通常啟用載波定位系統(tǒng)，對載波上行站地理位置進行定位。

在本案例中，不明載波（圖9 中的Mark1）所在頻率以及所在的極化，無論是 三星雙時差單參考 定位法，還是雙星時頻差多參考 定位法，都很難篩選出定位所需要的鄰星組合。我們注意到不明載波的極化隔離度非常差，在反極化上有很大的泄漏，這樣我們就對其泄漏到反極化的載波（圖10 中的Mark1為反極化泄露載波，圖10 中的Mark2為參考載波）進行定位。根據(jù)定位系統(tǒng)得出的地球站經(jīng)緯度（圖11所示），有目的、有方向地采取一系列的措施，成功消除該不明載波。

圖9 正極化載波頻譜圖

圖10 反極化載波頻譜圖

圖11 載波定位結(jié)果

通常情況下，如果用戶未按正規(guī)程序入網(wǎng)，其上星載波往往會出現(xiàn)極化泄漏或功率超高現(xiàn)象，這也給載波定位的成功率添加了一些籌碼。

6 結(jié)束語

本文通過對衛(wèi)星通信中的天線交叉極化及其相關(guān)概念進行分析與研究，希望能給業(yè)內(nèi)外人士提供點滴幫助，同時也希望用戶能夠規(guī)范操作，促使衛(wèi)星通信行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。

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