經(jīng)過(guò)各部門(mén)多方深入細(xì)致研究,明年上半年即將發(fā)射的我國(guó)自行研制直播衛(wèi)星(鑫諾2號(hào))已確定將采用圓極化波方式。另?yè)?jù)2004年6月11日法國(guó)阿爾卡特宇航公司(Alcatel Space)發(fā)布的消息,中國(guó)衛(wèi)星通信集團(tuán)公司(ChinaSat)與阿爾卡特宇航公司草簽合同,向法方訂購(gòu)的中星9號(hào)(ChinaSat-9)廣播電視直播衛(wèi)星也是采用圓極化工作方式(該星計(jì)劃2007年由中國(guó)長(zhǎng)征3號(hào)乙火箭發(fā)射,當(dāng)年投入使用,定點(diǎn)軌位是92.2°E,并稱(chēng)該星將和我國(guó)鑫諾2號(hào)(SinaSat-2)一起構(gòu)成中國(guó)第一代廣播電視衛(wèi)星直播系統(tǒng),同時(shí)也將用于2008年北京奧運(yùn)會(huì)的廣播電視轉(zhuǎn)播)?,F(xiàn)就衛(wèi)星工作的極化問(wèn)題進(jìn)行一些技術(shù)性討論,尤其重點(diǎn)計(jì)論圓極化問(wèn)題,可供今后接收我國(guó)直播衛(wèi)星信號(hào)和商界研制產(chǎn)品時(shí)參考。
極化與極化波的基本概念
所謂極化通常是指與電波傳播方向垂直的平面內(nèi),瞬時(shí)電場(chǎng)矢量的方向。我們?cè)O(shè)XOY平面是與電波傳播方向垂直的平面,在該平面內(nèi)的電場(chǎng)矢量E總可以用Ex和Ey兩個(gè)分量來(lái)表示,如圖1所示。
E=ExIx+EyIy
式中Ex、Ey為E在x、y上的分量,Ix、Iy為x、y兩上方向上的單位矢量。
設(shè)Ex=acosωt
Ey=bcos(ωt-Φ)
式中a、b為兩個(gè)分量的振幅,Φ為Ex和Ey的相位差。
下面我們分別來(lái)討論幾種情況:
1、Ex和Ey同相或者反相,此時(shí)
tgα=tgωtα= ωt
這表明合成場(chǎng)幅度不隨時(shí)間變化,而方向隨時(shí)間變化。這樣,合成場(chǎng)矢量端點(diǎn)隨時(shí)間變化的軌跡是一個(gè)圓,這種情況稱(chēng)為圓極化波。
通過(guò)上述分析得知,如果電波傳播時(shí)電場(chǎng)矢量的空間描出的軌跡為一直線(xiàn),它始終在一個(gè)平面內(nèi)傳播,則稱(chēng)為線(xiàn)極化波?;妶?chǎng)矢量在空間描出的軌跡為一個(gè)圓,即電場(chǎng)矢量是圍繞傳播方向的軸線(xiàn)不斷地旋轉(zhuǎn),這種電波稱(chēng)為圓極化波。
如果觀(guān)察者沿電波傳播方向看去(即看著它的尾部),看到電場(chǎng)矢量是在向右旋轉(zhuǎn)(即由左向右順時(shí)針地轉(zhuǎn)),則稱(chēng)為右旋圓極化波,它符合右手螺旋定則。反之,若電場(chǎng)矢量是在向左旋轉(zhuǎn)(即由右向左逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)),則稱(chēng)為左旋圓極化波,它符合左手螺旋定則。
在線(xiàn)極化波中,一般是以地平面為基準(zhǔn)(但衛(wèi)星發(fā)射的線(xiàn)極化波是以衛(wèi)星的軸系為基準(zhǔn)來(lái)定義的),當(dāng)極化方向與地平面平行時(shí),稱(chēng)水平極化波。當(dāng)極化方向與地平面垂直時(shí),稱(chēng)垂直極化波。
電波的極化特性取決于發(fā)射天饋系統(tǒng)的極化特性。發(fā)射右旋極化波的天饋系統(tǒng)為右旋極化天線(xiàn),同理,有左旋極化天線(xiàn)、水平與垂直線(xiàn)極化天線(xiàn)等。接收天線(xiàn)必須具有與發(fā)射天線(xiàn)相同極化且旋向相同的特性,以實(shí)現(xiàn)極化匹配,才能接收到全部能量。若部分匹配,則只能接收部分能量。由于一個(gè)線(xiàn)極化波可以分解為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的圓極化波,一個(gè)圓極化波也可分解為兩個(gè)相互正交的線(xiàn)極化波(但兩個(gè)相位差90°),所以接收線(xiàn)極化波的天線(xiàn)可以接收?qǐng)A極化波,接收?qǐng)A極化波的天線(xiàn)也可以接收線(xiàn)極化波,但是要有3dB的能量損失。無(wú)論是線(xiàn)極化天線(xiàn),還是圓極化天線(xiàn)都不能接收它們自己的正交分量。例如,接收右旋圓極化波的天線(xiàn),不能接收左旋圓極化波(接收垂直極化波的線(xiàn)極化天線(xiàn)也不能接收水平極化波)。因此,右旋或左旋圓極化天線(xiàn)只能發(fā)射或接收右旋或左旋圓極化波,對(duì)兩者不能混淆。現(xiàn)代的衛(wèi)星電視接收天線(xiàn),大多都裝有控制天饋系統(tǒng)極化方向的裝置--極化器,來(lái)選擇與衛(wèi)星電視信號(hào)一致的極化型式,并抑制其他型式的極化波,以獲得極化匹配,實(shí)現(xiàn)最佳接收。同時(shí),現(xiàn)代衛(wèi)星電視傳輸中,尚利用垂直極化與水平極化,左旋圓極化和右旋圓極化的相互隔離來(lái)傳送不同的電視節(jié)目,以擴(kuò)大衛(wèi)星的傳輸容量。圓極化波和線(xiàn)極化波各有優(yōu)缺點(diǎn),圓極化波在穿過(guò)雨霧層和電離層時(shí),引入的員耗小,也不存在線(xiàn)極化波時(shí)極化面旋轉(zhuǎn)問(wèn)題,因此接收?qǐng)A極化波信號(hào)時(shí)圓極化接收天線(xiàn)基本上不需要進(jìn)行極化調(diào)整(編者注:即無(wú)極化調(diào)整),而且在同時(shí)接收臨近二顆衛(wèi)星的不同極化波時(shí)圓極化的隔離度好。而線(xiàn)極化波的最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,并且接收饋源成本低,價(jià)格便宜。
一般來(lái)說(shuō),國(guó)際通信衛(wèi)星發(fā)射的電波大多數(shù)是圓極化波,而我國(guó)的通信衛(wèi)星(或區(qū)域性衛(wèi)星)發(fā)射的電波多是線(xiàn)極化波。
拋物面天線(xiàn)的圓極化饋源
拋物面天線(xiàn)的饋源按使用的方式可分為前饋饋源、后饋饋源和偏饋饋源;按衛(wèi)星頻段分為C頻段饋源和Ku頻段饋源。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出C和Ku頻段的共用饋源。前饋饋源一般用于普通拋物面天線(xiàn),后饋饋源一般用于卡塞格倫天線(xiàn),偏饋饋源用于偏饋拋物面天線(xiàn)。一個(gè)完整圓極化饋源系統(tǒng)由饋源喇叭、90°移相器、圓矩變換器等組成。圖2為后饋源配置圖;圖3為從饋源末端看向喇叭的透視圖,圖中0°~180°平面為移相器銷(xiāo)釘平面(移相器也可以采用介質(zhì)移相片方式,其移相的原理是相同的),矩形框邊為圓矩變換器末端的矩形波導(dǎo)口。
在圖3(a)中,右旋圓極化波E0進(jìn)入喇叭后向后傳播到達(dá)移相器后分解為0°~180°平面的一個(gè)分量E1和90°~270°平面的另一個(gè)分量E2 。根據(jù)旋向的定義及前面的推論可知,E1超前E2 相位90°,由于E1分量與銷(xiāo)釘?shù)姆较蛞恢?,它將被移相,而E2與銷(xiāo)釘垂直不會(huì)被移相。所以,到達(dá)移相器末端時(shí),E1與E2變成同相位,兩者的合成矢量變成E0′。它正好與矩形波導(dǎo)中的基模TE10相一致。至此,右旋圓極化波就被饋源變成矩形波導(dǎo)中的線(xiàn)極化波了。
在圖3(b)中,如果來(lái)波是左旋的,則E2分量超前E1 90°相位,經(jīng)移相后E2超前E1 180°,即E2與E1合成,得到合成矢量E0′,它與E0正交。所以應(yīng)當(dāng)將矩形波導(dǎo)口相對(duì)于右旋來(lái)波狀態(tài)旋轉(zhuǎn)90°,形成圖3(b)中的狀態(tài)。
如果來(lái)波是線(xiàn)極化波,圓極化饋源要作些變動(dòng)才能使用,即銷(xiāo)釘移相器所在平面與矩形波導(dǎo)口的相對(duì)關(guān)系應(yīng)按圖4(a)和(b)所示配置。這是因?yàn)?,在圖4(a)中,線(xiàn)極化的來(lái)波不會(huì)被銷(xiāo)釘移相,在圖4(b)中來(lái)波雖然被移相,但并不影響接收到的微波功率。
這里要注意的是,當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的圓極化波被金屬拋物面反射后,極化要轉(zhuǎn)換,即左旋變成右旋,右旋變成左旋。在前饋型的拋物面天線(xiàn)中電波經(jīng)過(guò)一次反射,原來(lái)的右旋圓極化波變成左旋圓極化波,這樣接收右旋極化波時(shí),極化變換要配置成左旋時(shí)的狀態(tài)。在后饋型的雙反射器天線(xiàn)中,由于經(jīng)過(guò)主副反射器的兩次反射,右旋來(lái)波轉(zhuǎn)換兩次仍然是右旋的,所以饋源中的移相器與矩形波導(dǎo)口的配置采用右旋的狀態(tài)??梢?jiàn),無(wú)論接收?qǐng)A極化信號(hào)還是接收線(xiàn)極化信號(hào),只需將圓矩變換波導(dǎo)同移相器之間的法蘭盤(pán)對(duì)接情況加以改變,就可實(shí)現(xiàn)無(wú)極化損失的接收。
圓矩變換器是將圓形波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)匹配聯(lián)接的一段過(guò)渡波導(dǎo)。由于圓波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)的阻抗不同,所以為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,需要加兩節(jié)阻抗變換器,它的示意圖如圖5所示。
在圓矩變換器后面,可以接入室外單元的低噪聲放大器(或接入高頻頭)。