用反极化法调试地球站天线极化角

用反极化法调试地球站天线极化角 摘 要 本文依据卫星通信地球站天线有关极化隔离度的设计技术指标及运行要求，分析了极化调试的方法，根据多年工作经验，着重提出了用反极化法调试卫星天线极化角的方法，并在此基础上给出了相应的操作方法。 【关键词】极化角 反极化 主站信标 1 概述 随着卫星在民航数据通信中的广泛应用，卫星网络的数据和语音通信的高质量传输，有赖于卫星正确的安装与调试，对卫星的安装技术要求也愈来愈高。天线对星操作是安装调试卫星通信地球站的关键技术之一，天线指向的精确度将直接影响卫星地球站的通信质量。天线对星操作包括三个方面的内容，即调整天线方位角、俯仰角和极化角，在民航卫星网的建设和运行过程中，由于具备方位角和仰角测试仪，各远端站天线的方位和俯仰角度调整的都比较好。而在极化调整方面，因为没有合适的工具可用，因此有相当一部分地球站天线的极化角调整得不太理想，这些站在运行过程中，不仅影响了反极化方向卫星转发器的工作性能，同时也使卫星网内受到来自反极化方向的干扰，从而使相应的数据通信误码率提高，话音通信质量下降。极化匹配不均衡，会产生极化损耗使接收信号降低，极化的调试至关重要，对网络的通信质量影响很大，下面分析极化调试的方法，重点分析反极化调试原理及其操作方法。 2 极化角的定义 无线电波的极化，是指电场方向和传播方向两者的关系。它表示在最大辐射方向上电场矢量的取向。在实际中，由于发射天线的具体放置不同，使电场只有垂直或只有平行于地面方向的分量，前者称为称垂直极化波，我国的广播发射天线是垂直于地面的，故是垂直极化波;后者称为水平极化波，我国电视、调频广播用的是水平极化波，它们的发射天线是平衡于地面的。 而卫星接收天线的极化方式有两类:一种是线极化，一种是圆极化。其中在线极化方式下又分为水平极化和垂直极化;在圆极化方式下又分左旋圆极化和右旋圆极化。天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波;当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。如果卫星波束中心与卫星同经度，那么与星下点同经度(但纬度不同)的非星下点接收天线能很好地与卫星辐射电磁波匹配，而与星下点不同经度的非星下点接收天线的极化必须旋转一个角度才能与卫星电波相匹配，这个角度就是极化角，这个极化角也等于星下点的接收天线地平面与非星下点的接收天线地平面之间的交角，如图1所示。 地面接收天线的极化角P可用下式计算: P = arctg[sin(ψs-ψg)/tgθ] 中的ψg是接收站经度，ψs为卫星的经度，θ为接收站的纬度。 从公式可以看出极化角的计算只是理想的理论值，总会存在误差，实际调试的时候，可作为极化调试的依据，实际的极化角精确调试，还需借助频谱仪等精密仪器来具体的调整。 3 一般的极化调试方法 调整好方位角和仰角后，再调试极化角，先计算极化角的理想值。当极化角P=0时，接收站刚好处在卫星星下点处，极化处于最理想的匹配状态，不需调整也是最佳极化;而当极化角P>0，接收站方位角处于南偏东，天线馈源应逆时针旋转，调到最佳状态;当极化角P<0 时，此时接收站方位角处于南偏西，天线馈源应顺时针旋转，直到调整最佳状态。实际调整极化角时，首先是粗调，先按公式算出仰角、方位角和极化角的理论值，再按理论值调整接收站天线的方位角和仰角以及天线馈源，使其指向卫星。最后利用频谱分析仪、AGC电压或卫星接收机中的信号强度指示条等方法精确调整。 在实际操作中，类似卫星电视接收等2.4米以下的小天线，精度要求不高，不需昂贵的仪器，都使用简单的AGC电压法和卫星接收机中的信号强度指示条法来调试极化角。 3.1 AGC电压调整法 AGC(自动增益控制)电压调整法是通过测试接收机输出的AGC电压来调整天线极化角，只需一般的万用表，把输出电压调整到最大值，此时天线极化匹配最佳。此方法适用于带有AGC电压输出的卫星接收机，简单方便，容易操作，广泛应用于一般的卫星电视接收等。调整时，设置后接收机相应的频道和参数，调整好方位角和仰角，直到能接收到电视信号，用万用表在接收机AGC输出处测量，慢慢地旋转天线馈源，旋转的方向和角度以计算极化角的理论值为准，反复调整，直到AGC电压值最大，这个点就是极化调整的最佳状态，固定馈源。极化调整最佳时，电视图像清晰，信号稳定，无噪声无干扰，只能接收某种极化的节目。极化调整不好时，往往接收图像噪波多，有间歇性的白线干扰，不同极化的节目会同时收到。AGC电压调整法适合接收模拟卫星电视。 3.2 信号强度调整法 信号强度调整法是利用卫星接收机自带的接收信号显示功能，调整接收信号到最大来完成。当进入自带信号检测功能的接收机时，安装调试界面，会显示信号强度和信号质量两条指示条。信号强度指示条显示接收机与馈源链路的状态，可检测出接收机与馈源链路之间是否有故障。信号质量指示条显示接收信号的强弱，可作为天线调试的主要依据。信号质量指示条分别用红、黄、绿表示信号从弱到强，指示条值也不断变化，直到最大。此时，指示条颜色变为绿色，表示极化匹配良好，可接收清晰图像。此方法适用没有AGC电压输出口的接收机接收数字卫星电视。 4 反极化法调试的基本原理 民航卫星数据网要求精度高，需要频谱仪等精密仪器来调试极化角。解决极化调试这一问题的有效方法，是在主站(或监控站)建立一个反极化监控系统，并以此来进行远端站天线的极化角的调整，目前，民航卫星网没有建立反极化监控系统，故尚不具备这种条件。在这种情况下，本人在卫星站建设中多次使用了反极化调试技术，并在天线极化角调整方面取得了令人满意的效果。 民航卫星网所使用的极化方式为线性极化，即信号发送采取垂直极化方式，信号接收则使用水平极化方式，地球站天线设计的线性极化隔度度指标为大于或等于30dB。就是说载波信号在沿着同极化方向进行传播时，由于受双工网络的隔离作用其强度在反极化方向至少被降低30dB，但同时，天线产家为了降低生产成本，所生产的天线的极化隔离度又不会比30dB大得更多，对于VSAT系统来说，已不至于使收发信号产生相互的干扰。反极化法的基本思路就是利用这一基本原理在主站建立一个信噪比大于30dB的单载波信号并作为网内的信标信号，网内需要调试极化角的远端站在同极化和反极化两个相反方向上接收这个信标信号，并通过比较两次所接收到的信号绝对电平的差值是否大于30dB来调试天线的极化角。在使用反极化法时，一般情况下，只有当同极化角调整在接近最佳位置时，其反极化方向的信号强度才会比同极化方向低30dB。 4.1 主站信标信号的建议 主站信标信号的建立是通过在主站中频并接相应的信号发生器来实现，所发送的信标信号使用与系统信号相同的极化方式，并通过主站天级辐射至卫星，然后由卫星转发至全网各个远端站。主站发送的信标信号应具有如下特性:(1)单载波信号;(2)信噪比大于33dB;(3)左右两边各有20KHz以上的保护带宽。 信标信号的频谱如图2所示。 4.2 远端站极化角调整 实际极化角调整中可分两步走，先粗调，按计算所得的方位角、仰角和极化角调整天线的指向及馈源旋转角度，使仰角和方位角最佳并锁定天线指向。细调时，用频谱仪使接收信号精确调整。需要调整极化角的远端站，首先使用频谱仪在水平极化方向上接收主站发送的信标信号，并按常规方法将信号幅度调至最大，然后对频谱仪进行如下操作: 按PEAK SEARCH键;(搜寻信号峰值) 按MARKER―CF键;(信号置中) REF LVL=信号峰值电平+LOG DB/DIV SPAN=0HZ SWEEP=300S 在极化调整时，使用频谱仪的SGL SWP方式，即信号扫描方式。按下频谱仪SGL SWP键后，立即向反极化方向(垂直极化方向)转动天线极化器，此时信号开始逐渐减弱，当信号变化幅度超过30dB时即可停止，此时再将极化器转回水平极化方向，并使信号达到最大峰值，然后，锁定天线极化器，至此可认为极化调整完成。调整过程中，信号变化情况如图3、图4所示。 如果按以上步骤，信号递减幅度无法达到30dB，则应将极化器调至水平极化方向，并再次搜寻新的峰值，然后再按上述步骤重复进行调试，这样最终会将天线极化调至合格的精度。 5 结束语 AGC电压调整法和信号强度调整法无需借助精密仪器的简单调试方法，对极化调整精度要求不高，常见于卫星电视接收的情况。而反极化法是一种简化的天线极化调整方法，借助频谱仪等精密仪器，可以把极化调整到最佳的状态。主要适用于经过型号认证的4.5米以下天线的用户安装调试，在民航卫星数据网络里广泛应用。由于该方法具有简便、实用、有效的特点，因此，在民航卫星调试中，本人多次使用该方法，并在民航卫星网转星工程中取得了比较理想的效果。 参考文献 [1]刘国梁，荣昆壁.卫星通信[M].西安:电子科技大学出版社，2008. [2]宋家华，宋法田.卫星通信[M].北京:宇航出版社，2009. 作者单位 民航海南空管分局 海南省海口市 571126