一種多波化終端電控變極化方案

一種多波化終端電控變極化方案

0車載助力“動(dòng)中通”“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信天線是針對(duì)應(yīng)急移動(dòng)衛(wèi)星通信的開發(fā)，可廣泛應(yīng)用于車載、船舶、船舶等衛(wèi)星通信項(xiàng)目。該天線能夠在運(yùn)動(dòng)過程中,高精度對(duì)準(zhǔn)所使用的同步通信衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音及圖像的不間斷可靠傳輸?！皠?dòng)中通”系統(tǒng)因其靈活、機(jī)動(dòng),通信距離遠(yuǎn)、保密性強(qiáng),可以使作戰(zhàn)車輛在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行通信,提高了戰(zhàn)場的透明度和生存能力,是一種發(fā)展?jié)摿Υ?、?jīng)濟(jì)效益顯著的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。以車載系統(tǒng)為例,“動(dòng)中通”系統(tǒng)的難點(diǎn),是在車行進(jìn)期間,如何使天線始終高精度地對(duì)準(zhǔn)所使用的同步通信衛(wèi)星,以保證高質(zhì)量的通信。由于載體行進(jìn)過程中姿態(tài)和地理位置持續(xù)變化,造成波束的滾動(dòng),存在極化失配問題。因此,如何實(shí)時(shí)對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行極化調(diào)整是動(dòng)中通系統(tǒng)要解決的一個(gè)重要問題。目前,國內(nèi)移動(dòng)衛(wèi)星通信普遍采用閉環(huán)極化跟蹤,如采用步進(jìn)跟蹤的方式進(jìn)行極化調(diào)整。但這種方式有很大的滯后性,一是需要進(jìn)行計(jì)算處理的時(shí)間,更重要的是需要對(duì)場強(qiáng)信號(hào)反復(fù)取樣進(jìn)行平滑,才能保證跟蹤的精度;另外,機(jī)械調(diào)整往往是針對(duì)反射面天線而言的,對(duì)平板天線來說采用機(jī)械調(diào)整會(huì)增加天線系統(tǒng)的高度。文中采用雙通道電控變極化技術(shù),建立了一個(gè)具有0°~90°線極化可控的線極化匹配系統(tǒng),能有效解決移動(dòng)通信中的極化失配問題。1電阻斷裂帶的基本原則1.1合成波電場的方向極化是指電場的瞬時(shí)分量隨時(shí)間變化的方式或方向,其中電場方向端點(diǎn)軌跡的旋轉(zhuǎn)方向規(guī)定為沿著波傳播方向觀察的旋轉(zhuǎn)方向。其軌跡有直線、圓、橢圓,因此對(duì)應(yīng)極化方式有直線極化、圓極化、橢圓極化,這里只分析線極化波的合成。設(shè)只討論Z=0平面,此時(shí)Ex,Ey等于分量相位相同或相差180°則合成波電場表示直線極化波,令?=nπ得:合成電場得大小E(t)矢量與X軸的夾角可見,E(t)的大小隨時(shí)間變化,但端點(diǎn)的軌跡始終保持與x軸的夾角為一常數(shù),軌跡為一直線,故稱直線極化。如果將式(1)中的E(t)的兩個(gè)分量看成兩個(gè)直線極化波(如圖1所示),很容易得出這樣的結(jié)論:兩個(gè)直線極化波,可以合成任意取向的線極化波;反之,任意取向的線極化波都可以分解為兩個(gè)直線極化波。由上述可知,通過調(diào)整兩個(gè)正交線極化波的幅度和相位,可以獲得任意取向線極化波。既然任意線極化均可由一對(duì)正交極化以不同的幅度比和相位差相合成,在接收時(shí)可采用雙極化天線將兩個(gè)通道信號(hào)以不同幅相關(guān)系合成,便可產(chǎn)生電波的任意線極化狀態(tài)。在發(fā)射時(shí),原理上也可將同一信號(hào)源經(jīng)功分器后,分別經(jīng)過不同的幅相關(guān)系處理并送到極化正交的一對(duì)天線,便可合成任意極化狀態(tài)。1.2車載天線的運(yùn)動(dòng)在移動(dòng)衛(wèi)星通信中,極化角指的是車體平臺(tái)平面與接收天線口面的交線和電波的水平極化矢量在天線口面上的投影之間的夾角θ,其中衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射的線極化波是以衛(wèi)星的軸系為基準(zhǔn)定義的,而車載天線的線極化方向則以車體平面為基準(zhǔn)面。在行進(jìn)過程中,車體存在的六個(gè)自由度(三個(gè)位置坐標(biāo):緯度、經(jīng)度和高度;三個(gè)姿態(tài)參數(shù):行駛方向﹑俯仰角和橫滾角)會(huì)不斷發(fā)生變化,這就決定了極化角θ由車輛和衛(wèi)星所在的緯度和相對(duì)經(jīng)度以及車體狀態(tài)(偏航、俯仰、橫滾)共同決定,利用捷聯(lián)穩(wěn)定方法推得極化角為:其中,ξ1為衛(wèi)星經(jīng)度,ξ2接收站經(jīng)度,ψ為接收站緯度,Az為衛(wèi)星在車體坐標(biāo)系內(nèi)的方位角,α為車體俯仰角,β為車體橫滾角。2雙向變極化單元終端電控變極化系統(tǒng)采用開環(huán)來實(shí)現(xiàn)極化調(diào)整(如圖2所示),它包含傳感器、極化控制器、極化調(diào)整單元和雙極化天線等模塊。極化控制器首先從慣性器件和GPS中提取車體的姿態(tài)參數(shù)和地理信息,按式(2)計(jì)算出衛(wèi)星與天線之間的極化夾角θ,再控制極化調(diào)整單元中移相器對(duì)各個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)相移。其中雙通道極化調(diào)整單元由低噪放(LNA)、功率分配器(PowerDivider)、移相元件(PhaseShifter)、功率合成器(PowerCombiner)等部件組成(如圖4所示)。這里通過接收過程簡要介紹一下雙通道變極化單元的工作原理,當(dāng)前衛(wèi)星廣泛采用極化復(fù)用方式,即在同一頻帶內(nèi)利用不同極化波束傳送兩路信號(hào)。例如亞洲2號(hào)衛(wèi)星A系列轉(zhuǎn)發(fā)器下行為垂直極化V,B系列轉(zhuǎn)發(fā)器下行為水平極化H,且兩種極化的轉(zhuǎn)發(fā)器頻帶有重疊部分。假設(shè)車載天線與衛(wèi)星的極化夾角θ,這樣車載雙極化天線的水平極化部分Eh和垂直極化部分Ev都會(huì)收到衛(wèi)星的下行水平極化波E1和垂直極化波E2(如圖3所示)。其中,天線水平極化部分主極化分量:E1h=E1*cosθ交叉極化分量:E2h=-E2*sinθ天線垂直極化部分主極化分量:E2v=E2*cosθ交叉極化分量:E1v=E1*sinθ雙極化天線將接收下來的信號(hào)3和4通過電橋分為兩路信號(hào)5和6,控制兩個(gè)正交極化分量的相位Φ1和Φ2,利用極化抵消方法產(chǎn)生大小與干擾信號(hào)相同、極性相反的干擾抵消信號(hào),將此信號(hào)再與接收天線收到的復(fù)合信號(hào)合成后,獲得干凈的正常信號(hào),即衛(wèi)星水平極化信號(hào)完全由端口10輸出,同樣衛(wèi)星垂直極化信號(hào)完全由端口9輸出。3傳統(tǒng)噪放和移相器交叉極化分量的影響在變極化單元中需要兩路幅相嚴(yán)格一致,這里所說的幅相一致指的是雙通道中元件如低噪放和移相器等必須保持相同的幅相特性,減少由兩通道輸出之間的幅度和相位誤差引入的交叉極化分量。這里通過Matlab仿真分析了系統(tǒng)相位差誤差產(chǎn)生的極化損耗(圖5)和兩路低噪放的增益系數(shù)不一致對(duì)交叉極化鑒別度(XPD)的影響(圖6)。4道電控變極化技術(shù)文中針對(duì)移動(dòng)載體運(yùn)動(dòng)過程中