机械调整式极化跟踪器

阮云国，邓智勇，张 博

（中国电子科技集团公司第五十四所，河北石家庄050081）

0 引言

随着卫星通信的广泛应用，民用通信设备受到越来越多的关注，动中通天线就是其中的一种形式。特别是在应急通信中，该天线能在移动过程中快速对准卫星，以实现数据，图像的高速传输。相比固定站天线具有很大的优势[1，2]，但大多动中通天线工作于Ku频段，该频段卫星极化形式多为线极化，由于载体一直处于运动中，会造成波束的偏移与极化失配，产生极化损耗，影响数据传输的误码率和通信质量，因此如何实现天线系统中的实时极化调整成为一个关键问题[3－7]。

大部分动中通天线具有低剖面的特点，辐射器多采取平板阵列或柱面抛物面的形式，无论哪种形式，天线在方位面都具有较窄的波束宽度，无法通过旋转天线的方式来调整极化。因此要有一个独立的部件来实现极化跟踪。现存的几种形式主要以有源器件实现为主，应用在下行链路具有很好的效果，但在上行链路，存在一个问题，工作时需要在2个极化上分别使用一套移相组件和一台功放，这样不仅体积较大，而且成本较高。一般用户无法接受。因此提出了一种机械式的极化调整方案，它是由输入OMT（正交模耦合器），圆波导关节、输出OMT（正交模耦合器）、L型关节以及辅助的maxon组合电机和驱动器构成。通过电机驱动波导关节实现上行极化调整，具有结构紧凑和可靠性高的特点。

1 极化跟踪器原理分析

极化是天线的一个重要概念，定义为电场的矢量终端在一个周期内形成的轨迹。天线的极化形式有3种，分别是线极化、圆极化和椭圆极化。天线在能量传输过程中要保证极化匹配，即接收天线的极化方向应与电波的极化方向一致，此时接收天线能接收电波的全部能量。若接收天线的极化方向与电波的极化方向不一致，则为极化失配，存在一个极化角，只能接收部分能量，影响电磁波能量传输效率，因此天线在通讯过程中必须保证极化匹配。传统天线的线极化匹配方式有旋转天线或旋转馈源喇叭等，但由低剖面天线结构限制，这2种方式都不可行，因此必须另辟蹊径。

电磁场理论:任何一个线极化波都可以分解为一个水平极化波与一个垂直极化波，相反一个水平极化波与一个垂直极化波也可以合成一个任意极化角的线极化波[5，8－10]。假设天线与卫星的极化夹角为θ，电磁波信号矢量分解如图1所示，这样车载双极化天线的水平极化部分ESH和垂直极化部分EPV都会收到卫星的下行水平极化波EP和垂直极化波ES。

图1 电磁波信号矢量分解

其中天线水平极化部分主极化分量为:

交叉极化分量:

天线垂直极化部分主极化分量:

交叉极化分量:

利用电磁场矢量叠加特性，可以用相位相反的信号使ESH与EPV分别抵消，即去除了交叉极化分量，此时空间上瞬时合成后仍为线极化。

2 极化跟踪器方案设计

按以上原理提出了一个极化跟踪器方案，原理框图如图2所示。

图2 极化跟踪器系统设计框图

极化跟踪器系统前端是一个对称形式的十字转门OMT（正交模耦合器），2个输入端口是对称的，且具有相同的电长度;中间是圆波导关节，后端是一个输出OMT。假设电磁波沿z轴传播，如果电场矢量投影与传播方向相垂直，则电场的分量如式（5）和式（6）所示。

由于平板天线所接收的是任意极化角的电磁波，天线的水平极化接收端和垂直极化接收端同时有电磁波能量进来，它们的相位相同，但幅度不同，当信号进入极化跟踪器后，极化跟踪器的2个输入端口到输出端口始终保持等电长度，此时圆波导关节带动输出OMT转动时，就会找到一个与空间电磁波极化角相对应的位置，这时2个极化波进行了矢量合成，信号由OMT的输出端口取出。

3 正交模耦合器设计

低剖面天线结构紧凑，因此在整个设计过程中，要使器件尽可能的小型化，以节省结构空间，来适应天线布局。由于该系统中，要保证正交极化信号等相位输入，因此输入正交模耦合器（OMT）结构必须是对称的，常规的正交模耦合器以侧臂耦合为主，无法保证等相位输入，因此选用了一种十字转门正交模耦合器，该种OMT结构紧凑，且是一种宽带型器件，具有良好的的驻波特性，隔离特性与损耗特性[11，12]。这种正交器有一个圆波导输入，4个矩形波导输出，输出波导是对称的。相对的2个波导是同一极化，相邻的2个波导极化正交。

正交模耦合器工作于Ku上行频段，设计中要保证圆波导传输主模TE11模，矩形波导传输主模TE10模，这样圆波导尺寸和矩形波导尺寸可以分别确定。矩形波导选择标准的BJ140波导，圆波导选择直径为φ=5.8mm，然后是确定器件底部中心处的2个圆柱型台阶的直径与高度。这个尺寸对器件的S参数有很大影响，需要精确设计。为此利用全波分析软件HFSS建立模型，设定端口驻波和隔离度为优化目标，进行优化分析。最终得到了一个比较理想的计算结果，计算结果如图3所示。

图3 输入正交模耦合器S参数

从结果可看出S11在全频段小于－19dB，可以满足应用要求。

4 极化跟踪器调试与测试

虽然在设计过程中应用了计算机仿真，但由于加工误差与计算误差的客观存在，必须给予整个部件调整措施，而关节与正交模耦合器是其中重要的调整器件。因为输入OMT要保证等相位，但平板天线前端结构复杂，保证绝对的等电长度难度较大，因此要用一些波导垫片来修正天线前端所引进的相位差，同时正交器的2个短路块也可以对系统的回波损耗有调整作用。

使用一台标量网络分析仪与BJ140波导定向耦合器组成测试系统，来进行了电气性能测试。得到了整个工作频段内的极化隔离特性与插入损耗特性，结果如图4和图5所示。

图4 极化跟踪器极化隔离测试结果

图5 极化跟踪器插入损耗测试结果

整个部件装配调试好后，结构如图6所示。从测试结果可以看出极化跟踪器在整个使用频段内插入损耗小于0.35dB，极化隔离大于30dB，这是一个非常理想的结果，可以很大程度上增加天线上行EIRP值，使其配置较小功率的功放成为可能。

图6 机械式极化跟踪器实物

5 结束语

根据极化波合成原理所设计的机械形式极化跟踪器，在整个使用频段内具有平坦的幅度响应，较高的极化隔离特性和和较低的插入损耗特性。显示了良好的电气性能指标，结构简单，具有很高的可靠性，将在动中通天线进行了广泛应用。

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