“动中通”接收天线极化匹配及跟踪技术研究

王道平,陈辉华,何 敏

摘 要:为了稳定“动中通”接收天线的极化轴,克服波束滚动引起的交叉极化干扰,从而提高“动中通”通信质量。以波束实时对准为依据,分析极化匹配的原理,研究“动中通”中交叉极化干扰的产生途径。利用坐标旋转变换导出极化角的计算公式,讨论极化跟踪的必要性,建立极化跟踪的模型。采用电子变极化技术设计了适用于平板天线的“全电子”新型极化跟踪网络,阐述该网络的工作原理,为“动中通”的极化跟踪提供了新的途径。

关键词:动中通;极化匹配;交叉极化干扰;极化跟踪

中图分类号:TN927+.23文献标识码:A

文章编号: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

移动中的卫星通信——“动中通”(Satcom on the Move)利用卫星作为中继,可以在移动载体(运动中的车、船等)双方实现实时、大容量、不间断地传递多媒体信息,因而成为通信业最具前景的发展方向之一。“动中通”的关键技术在于如何实现安装在移动载体上的天线对卫星波束的实时跟踪,从而实现双方的稳定通信。

天线对卫星的波束跟踪包括波束指向跟踪与极化跟踪。波束指向跟踪保证载体在移动中天线波束的轴线与卫星波束轴线的实时对准。极化跟踪保证天线的极化与卫星的极化实时匹配。目前国内的“动中通”大多只对波束指向的跟踪进行研究。理论与实践均证明如果天线的极化与卫星的极化不匹配会对通信质量产生严重的影响,甚至造成通信的暂时中断[1]。因此有必要对极化的匹配及跟踪进行研究。

1 极化匹配

电磁波的极化定义为电场矢量的振荡方向。如果电场矢量在与传播方向相垂直的平面上的投影是直线,则称为线极化波。国家标准规定,国内卫星系统均采用线极化方式[2]。天线辐射或接收的电磁波均具有特定的极化方向。当接收天线与发射天线的极化方向不一致时会引起接收信号质量的降低。极化匹配就是研究如何调整天线的极化使之与卫星的极化相一致。

在卫星通信中地面接收天线的极化与卫星转发器极化定义的基准不同,这就使接收天线的极化面与卫星天线的极化面之间有一个夹角,这一夹角称为极化偏角,如图1所示。

极化偏角的计算公式如下[3,4]:

θs=arctan(sin Δφ/tg γ)(1)

式中:Δφ为载体所在位置与卫星的经度差;γ为载体所在处的纬度。

2 交叉极化干扰分析

为了缓解日趋紧张的频谱资源,卫星通信普遍采用正交极化的频率复用技术[5]。理想情况下正交极化端口间应该互不影响,但实际上对于正交双线极化接收而言,水平极化的接收天线也能接收到卫星发来的垂直极化信号;同理垂直极化的接收天线中也能接收到卫星发来的水平极化信号,从而产生交叉极化干扰。其产生原因主要有2种:极化误差角和大气降雨等的去极化效应。

图1 极化角示意图

2.1 极化角的扰动

对于固定接收站,极化角是固定的,其值可由式(1)计算。对于“动中通”接收天线,由于载体在行使中会遇到崎岖、坡度等各种路况,因此载体的姿态是时变的。这种变化表现为横滚、纵摇和偏航三个角度的变化。载体姿态的变化通过天线座耦合到天线板,从而引起天线对星所需的方位、俯仰、极化三个角度的变化。把这种时变的极化角称为极化源转角,在具体操作中它表示为波束对准而需要绕天线波束主轴旋转馈源的角度。极化源转角的计算公式如下[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是载体在地理坐标系中的姿态角。其中,ψ指载体纵轴沿前进方向在水平面上的投影与正北的夹角,以顺时针为正;φ指载体纵轴轴向与水平面的夹角,以向上为正;θ指载体绕自身纵轴转过的角度,以逆时针为正,当载体纵轴平行于水平面时为零。ψ,φ,θ可由天线座上的姿态测量元件实时读出;A,E,V是理想指向波束在地理坐标系中的姿态角,其中A表示波束轴线在水平面上的投影与正北的夹角,以顺时针为正;E表示波束轴线与水平面的夹角,以向上为正;V表示为极化匹配而需要调整的极化角,即波束绕自身轴线转过的角度,以逆时针为正。A,E,V可由以下公式计算得到[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)

由此可见,载体姿态的变化会引起极化源转角的变化,从而引起交叉极化干扰。

2.2 大气去极化

影响较大的是对流层中的多经效应,降雨去极化以及电离层的法拉第旋转相应。由于去极化现象使得线极化波穿过大气层后偏离原来的指向,从而引起接收端的交叉极化干扰。

综上所述,由于交叉极化干扰的存在使得双极化接收天线的同极化端口也能收到交叉极化的信号,如图2所示。接收天线中收到的同极化信号和交叉极化信号的比值定义为交叉极化隔离度(XPD),它是衡量交叉极化干扰程度的量值。为了保证稳定可靠的通信,通常要求天线的XPD大于30 dB[7]。

如图2所示XPD可用下式计算:

XPD=(EV2/EH2)2(8)

图2 双极化接收示意图

3 极化跟踪方案

第1节和第2节分别讨论了极化匹配和交叉极化干扰。结论是:为了在运动中进行卫星通信,接收站天线的极化必须和卫星的极化实时匹配以消除交叉极化干扰。

极化的实时匹配可以通过极化跟踪网络来实现。

针对极化误差角引起的交叉极化干扰,可以通过调整天线的极化指向,使之达到相应的角度来抵消干扰。调整方法有多种,固定接收站通常采用手动旋转馈源的高频头来调整[8],“动中通”接收天线通常采用极化调整电机,由电机驱动高频头实时调整极化源转角。手动和电动极化调整都需要馈源高频头的物理移动。然而对于具有广阔发展前景的“低轮廓动中通”而言,为了降低天线的高度普遍采用平板相控阵天线,这种天线的馈源相对于天线板是固定的。对于不便移动馈源的天线,极化指向的调整,可以采用电子变极化方式来实现。

针对降雨去极化等随机极化干扰,可以通过设计自适应交叉极化干扰抵消器(XPIC)来抵消干扰。XPIC的基本原理是利用干扰信号经过适当的幅度和相位变换产生出与原干扰信号等幅反相的信号,该信号与有用信号相叠加,从而消除有用信号中的干扰信号[9]。XPIC可以在基带、中频或射频段实现。这里的研究在射频实现XPIC。

基于以上两点,设计了图3所示的适用于低轮廓“动中通”的极化跟踪网络。

图3 极化跟踪网络

该网络由双极化天线、极化调整单元、极化控制单元、传感器和双极化输出(H,V)端口组成。其中,极化调整单元包括2个3 dB电桥和1个可调移相器。

从功能上,网络分为开环和闭环两大部分。开环部分的传感器有GPS和惯性测量元件,闭环部分的传感器是微波探测器。所有传感器的信号都送到极化控制单元,极化控制单元对来自传感器的信号进行处理,然后产生,控制信号驱动可变移相器φ产生相应的相移量,从而消除交叉极化干扰,实现对卫星极化的实时跟踪。

开环部分完成极化误差角(包括极化偏角和极化源转角)的调整。可以证明,当极化误差角为θ时,只需使可变移相器的相移量为2θ便可以消除误差。

闭环部分实现自适应交叉极化干扰抵消。其中的微波探测器可以是幅度传感器或者相位传感器(相位探测器)。如果采用相位探测器,当输出信号中有交叉极化干扰存在时,干扰信号与有用信号存在随机的相位差,此时相位探测器有误差信号输出,经极化控制单元处理后输出移相器的驱动信号,驱动移相器产生相移使干扰向减小的方向移动,从而实现闭环的跟踪。无论采用何种传感器,在此过程中设计有效的跟踪算法是至关重要的。

就系统整体而言,开环部分可以作为极化的粗调,闭环部分可以作为极化的微调。整个系统的工作过程可简述如下:

在卫星的初始捕获阶段,极化控制单元利用GPS接收机送来的载体经纬度,并结合所选的通信卫星的经度,利用式(1)由计算程序,算出对准卫星所需的极化偏角式,计算出极化偏角V驱动移相器移相2V。载体的移动过程中,极化控制器定时读取载体的姿态信息,由式(2)计算极化源转角γ,驱动移相器移相2γ,读传感器的频率可依据载体的行使环境灵活设置。在极化误差角纠正的间隙由XPIC完成极化的微调。

4 结 语

极化匹配和跟踪对于提高“动中通”通信质量具有重要意义。以“动中通”接收天线的波束实时对准为基础,分析极化匹配的原理、极化扰动的来源,得到极化偏角和极化源转角的计算公式,设计了全电子的极化跟踪网络。

参考文献

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