卫星通信中天线极化隔离度的调整

王 晖，张新元，刘飞飞

（中国卫通集团股份有限公司，北京 100094）

卫星通信是地球站之间利用卫星作为中继站的一种无线电通信方式，具有覆盖范围广、传输距离远、组网便捷等特点，在我国广播、电视、数据通信等业务中得到广泛应用和蓬勃发展。在卫星天线架设完成以后，要高质量接收到卫星转发的信号就需要准确地调整卫星天线，使得天线的方位角、俯仰角和极化角与卫星相匹配。在指向同一颗卫星的情况下，不同地理位置的卫星天线方位角、俯仰角和极化角是不同的，因此同一副天线改变了位置，三个角都需要重新调整。如果三个角未调准到合适的位置，会影响到极化隔离度的测试结果，导致天线的该项指标不合格，无法入网运行。以下所讨论的，如无特殊说明，都是线极化的情况。

1 天线的方位角、俯仰角和极化角

1.1 天线的方位角

天线的方位角是指天线的轴线在水平面的投影与正北方向的夹角，以正北为零，顺时针方向为正。当地面站天线位于北半球时，从参考文献中得到方位角的计算公式为：

式中，e 为地球站的纬度（北纬为正，南纬为负）；λe为地球站的经度（东经为正，西经为负）；λs为卫星经度（东经为正，西经为负）。

图1 天线的方位角与经纬度的关系

根据公式（1），当卫星位于λs=110.5°时，地球站位于不同经度和纬度下（经度80°～120°E，纬度2°～52°N），方位角的分布如图1。

1.2 天线的俯仰角

天线的俯仰角是指天线的轴线与水平面的夹角。当地面站天线位于北半球时，从参考文献中得到俯仰角的计算公式为：

式中，e，λe，λs的定义与式（1）中相同；Re=6378km，为地球半径；H=35786km，为同步卫星距地球表面的高度。根据式（2），当卫星位于λs=110.5°时，地球站位于不同经度和纬度下（经度80°～120°E，纬度2°～52°N），俯仰角的分布如下：

图2 天线的俯仰角与经纬度的关系

1.3 天线的极化角

天线的极化角是以其馈源中矩形波导的安装方式决定的，并且是以地面为基准定义的，当矩形波导口窄边平行于地面时为水平极化，当矩形波导口窄边垂直于地面时为垂直极化。在多数情况下，卫星下行信号的极化方向并不是理想地平行或垂直于地面，而是随着接收天线所处的地球经纬度的不同而不同。为了使天线的极化方向与卫星下行信号的极化方向相一致，接收天线馈源中波导口相对于地面需要倾斜一个角度Ψ，计算公式为：

式中，e，λe，λs的定义与式（1）中相同。根据公式（3），当卫星位于λs=110.5°时，地球站位于不同经度和纬度下（经度80°～120°E，纬度2°～52°N），极化角的分布如图3所示：

2 天线的极化隔离度

天线的极化隔离度（CPI，Cross Polar Isolation）是用户载波上星前需要测试的一项重要指标。测试时，需要用户在规定频点处发射单载波，监测站通过测量该单载波在正反两个极化上的功率差值，得到极化隔离度。在监测站看到的频谱图如下：

图3 天线的极化角与经纬度的关系

图4 极化测试时的频谱图

我们所说的极化隔离度是分量1和分量3之间的差值，这个差值是和发射站的极化相关的，中国卫通要求在考虑通道差的情况下，此差值需要大于30dB。下面就简要讲述三个分量的来源：为了讨论的简单，我们假设卫星上的天线是理想的，没有H 和V极化的相互泄露。待测站发射的载波的电场为Et（f），依据卫星的H 和V 极化对Et（f）做正交分解，可以得到Eth（f）和Etv（f），两个极化分量分别进入卫星上的H 极化和V 极化通道，卫星通过放大变频将接收到信号转发下去，下行的H 极化和V 极化通道分量为Esh（f-Δ1）和Esv（f-Δ2），其中Δ1和Δ2是卫星上下行频率之间的差值。由于卫星变频器的制作工艺，两数值有稍许差别，大约在1kHz 左右。两数值都约等于卫星的本振（LO，Local Oscillator）。一般，在标准C 波段，卫星的本振为2225MHz，在标准Ku 波段，卫星本振为1750MHz。

在接收端（即监测站），收到卫星转发下来的H 极化和V 极化通道分量Esh（f-Δ1）和Esv（f-Δ2），同时，接收天线存在H极化和V 极化的相互泄露，为了能清楚的看到泄露分量，我们将接收天线的H、V 极化轴定义为H'和V'，与H、V 有一个夹角，夹角大小与泄露程度以及接收天线极化（一般，监测站的天线极化都已调整到最佳）有关，一般此角都比较小。对于接收到Esh（f-Δ1）来说，又可以分解为两个分量Erh（f-Δ1）和Erv（f-Δ1），这就是极化图中的分量1和分量2。对于接收到Esv（f-Δ2）来说，也可以分解为两个分量Erh（f-Δ2）和Erv（f-Δ2），其中Erv（f-Δ2）就是图中的分量3。通过调整待测站的方位、俯仰，使分量1最大，此时天线已经准确对准卫星；旋转待测站的馈源，调整极化角，使分量3最小，最终使分量1和分量3的差值大于30dB。在调整的过程中，可能需要反复调整方位、俯仰和极化角，才能最终达到要求。

图5 极化分量在卫星通信系统的示意图

3 天线的方位角、俯仰角和极化角对极化隔离度的影响

通常情况下，用户准备上业务之前都必须联系卫星运营商进行极化隔离度的测试。首先，用户应按前面公式（1）和（2）计算结果，或卫星运营商提供的方位俯仰角，大致对上卫星。在有频谱仪或者接收机的条件下，可通过精细调整方位和俯仰角，使得载波（一般为卫星信标，有时也可能是转发器上的载波）接受电平最大，就可以确定天线已经对准卫星。在有频谱仪的情况下，建议使用信标电平作为参考，而且一般的卫星在水平和垂直极化各自都有信标。方位俯仰调到最佳后，可以旋转馈源的角度，使得同极化的信标调整到最大，反极化信标调到最小，直至调到噪声电平之下。在有接收机的情况下，可以参考转发器上的载波进行调整。

以上调整完成后，就可以联系卫星运营商进行极化隔离度的测试了。用户在约定频点发出单载波后，会被要求先旋转馈源。如果天线已对准卫星，仅通过旋转馈源就可以使得极化隔离度达到30dB 以上。有些情况下，还需要调整方位俯仰。在协助用户调整的时候，发现方位角、俯仰角和极化角对极化隔离度的影响程度是不同的。

为了研究这种不同的影响程度，分别使用Ku 波段1.8M 和C波段2.4M 天线在不同卫星上进行测试。

将Ku 波段1.8M 天线对准卫星，极化隔离度调整到最好为44.24dB，测试数据如下：

3.1 改变方位角

表1 改变方位对极化隔离度的影响

图6 改变方位对极化隔离度的影响

3.2 改变俯仰角

表2 改变俯仰角对极化隔离度的影响

图7 改变方位对极化隔离度的影响

3.3 改变极化角

表3 改变极化角对极化隔离度的影响

图8 改变极化对极化隔离度的影响

从以上数据可以看出，方位角从最大值减小了1.5°，极化隔离度减小了20.02dB；俯仰角从最大值减小了0.62°，极化隔离度减小了20.36dB。对于这幅天线来说，极化隔离度对于俯仰角比方位角更敏感。

接下来，又测试了C 波段的2.4M 天线的方位、俯仰和极化对极化隔离度的影响。测试数据如下：

图9 C波段的2.4M天线的方位、俯仰和极化对极化隔离度的影响

对于这幅天线来说，极化隔离度对于方位角比俯仰角更敏感。通过分析发现，由于不同天线设计上存在差别，因此极化隔离度对于方位角和俯仰角的敏感程度不同。

4 结束语

天线的极化隔离度是天线入网运行必须要满足的指标。如果此项指标不合格，能量会泄露到反极化上，入网运行后，不仅对天线的发射能力有影响，而且会使反极化的用户业务接收降低。通过极化隔离度测试后，用户就可以通过天线发射或者接收卫星信号。希望通过此文，使得卫星使用者对极化隔离度测试有进一步的认识，从而使卫星更加安全、高效的运行，发挥卫星通信的最大效能。