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        船載衛(wèi)通站校相的研究與探討

        2014-04-03 01:48:36葉圣昊
        江蘇科技信息 2014年4期
        關(guān)鍵詞:線極化饋源接收機(jī)

        林 野,葉圣昊

        (中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇江陰 214431)

        0 引言

        在船載衛(wèi)通站中,當(dāng)跟蹤線極化星進(jìn)行通信時,隨著船舶地理位置的變化,天線跟蹤衛(wèi)星的線極化角也會發(fā)生相應(yīng)的變化。為了更好地接收衛(wèi)星信號,當(dāng)極化角發(fā)射變化時,天線就要通過調(diào)整天線極化面來適應(yīng)極化角的變化,這樣便引起跟蹤接收機(jī)的相位發(fā)生漂移,即對天線的跟蹤性能產(chǎn)生一定的影響。為了使天線在地理位置發(fā)生變化之后依然具有很好的跟蹤性能,就需要根據(jù)地理位置的變化不斷地調(diào)整跟蹤接收機(jī)相位,本文針對相位的變化原因以及調(diào)整的方式做了簡單討論,僅僅作為以往工作的一種經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

        1 極化的概念

        所謂極化,就是電磁波在空間任一固定點(diǎn)上波的電場矢量空間取向隨時間變化的方式,包含線極化和圓極化。線極化波的電場矢量空間取向不變,矢量軌跡隨時間變化為一條直線,為了實(shí)現(xiàn)極化復(fù)用,又可以將線極化進(jìn)一步分為水平極化和垂直極化。天線的極化由其輻射的電磁波的極化來確定。衛(wèi)通站的水平極化方向定義為:垂直于電波的傳播方向,并且平行于衛(wèi)通站的地平面;而其垂直極化方向的定義為:垂直于電波的傳播方向,并且與電波傳播方向和衛(wèi)通站當(dāng)?shù)氐你U垂線所構(gòu)成的平面平行。綜合以上說明,衛(wèi)通站天線的水平極化、垂直極化方向分別與饋源矩形波導(dǎo)口的窄邊和寬邊平行。當(dāng)衛(wèi)通站天線對準(zhǔn)衛(wèi)星時,衛(wèi)星發(fā)射信號的水平極化方向和衛(wèi)通站的水平極化方向之間的夾角稱為線極化角。假設(shè)地球同步軌道衛(wèi)星位于東徑α赤道上空,衛(wèi)通站的地理位置為東徑β,北緯φ(南緯時取負(fù)),相應(yīng)的極化角P經(jīng)公式推導(dǎo)為:

        圖1 極化角的極性

        根據(jù)式(1),在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi),以星下點(diǎn)為原點(diǎn),以赤道為x軸,過星下點(diǎn)的子午線為y軸,可將地球分為4個象限。極化角在1,3象限內(nèi)為正;2,4象限內(nèi)為負(fù)。在y軸上極化角處為0°,在星下點(diǎn)東方從北半球靠近赤道時極化角為+90°,從南半球靠近時赤道為-90°;在星下點(diǎn)西方從北半球靠近赤道時極化角為-90°,從南半球靠近赤道時極化角為+90°,極化角的極性如圖1所示。

        2 極化引起相位漂移

        目前船載衛(wèi)通站天線伺服跟蹤系統(tǒng)采用的是以TE21模為差模、以TE11模為和模的單通道單脈沖自跟蹤方式。當(dāng)天線完全對準(zhǔn)衛(wèi)星方向時,接收的電磁波在多模饋源中激發(fā)的電場只有主模(和信號),而當(dāng)天線偏離衛(wèi)星方向時,電場將出現(xiàn)軸向分量,除主模外還產(chǎn)生高次模,取其中的一種高次模TE21模作為差信號用于跟蹤。跟蹤接收機(jī)的校相就是指在誤差解調(diào)時,通過調(diào)整鑒相器相位以消除通信和信號和跟蹤差信號的初始相位差,使交叉耦合滿足天線的跟蹤要求。根據(jù)式(1)和圖1可以知道,當(dāng)船舶的地理位置發(fā)生變化時,天線的極化角是不同的。為了使天線更好地接收衛(wèi)星信號,船載衛(wèi)通站就要調(diào)整天線的極化面結(jié)構(gòu),進(jìn)行饋源網(wǎng)絡(luò)的旋轉(zhuǎn),即進(jìn)入矩形波導(dǎo)的信號極化方向與矩形波導(dǎo)的窄邊或?qū)掃吰叫小p佋吹臐L動主要導(dǎo)致進(jìn)入跟蹤接收機(jī)的和信號相位發(fā)生變化,而出航后的相位值還是碼頭期間的相位值,即此時相位值不再合適,使得天線跟蹤性能下降。在日常使用當(dāng)中,發(fā)生相位漂移的主要原因是船載衛(wèi)通站的地理位置不固定,在跟蹤線極化星時極化角一直在變化,船載衛(wèi)通站的差信號從多模饋源輸出端口到和差網(wǎng)絡(luò)合成器的傳輸過程中,即引入的相位基本不變,但是由于和信號要經(jīng)過極化器、極化旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等部件(見圖2),當(dāng)極化角發(fā)生變化時,在極化面的調(diào)整過程中,和信號在達(dá)到和差網(wǎng)絡(luò)合成器的過程中會發(fā)生較大的相位變化,使最初的校相結(jié)果無法使用。

        除此之外,也有其他方面的因素影響,比如:外界溫濕度變化比較大,與初始校相時的溫濕不一樣,各種電氣特性也會發(fā)生一定的變化,直接導(dǎo)致接收機(jī)相位發(fā)生輕微變化;船舶航行期間的震動搖晃等,對天線結(jié)構(gòu)也造成一定的影響,使相位發(fā)生輕微變化。

        圖2 1天線饋源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

        3 相位漂移后的調(diào)整方法

        從以上分析可知,船載衛(wèi)通站跟蹤接收機(jī)相位變化的主要原因是由極化角的變化引起的,要想消除極化角的影響,就要實(shí)時對跟蹤接收機(jī)相位值進(jìn)行調(diào)整。在跟蹤的過程中,極化角的輕微變化對交叉耦合影響不是很大,但是如果極化角度變化超過一定的值,天線會因交叉耦合過大無法正常跟蹤。在天線結(jié)構(gòu)中,如果饋源網(wǎng)絡(luò)旋轉(zhuǎn)180°,對于同一來波,從波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換耦合出的信號也有了180°的相位變化,因此和/差通道之間的相位差也達(dá)到了180°,這個相位差基本是線性的,也就是說極化角變化1°,和/差通道之間就有1°的相位變化。通過這個原理,目前船載衛(wèi)通站使用的跟蹤接收機(jī)已經(jīng)加入相位修正,實(shí)際使用時,工作的相位值為接收機(jī)顯示的相位值與極化角的變化值之和。經(jīng)過修正后,可以保證天線的精確、穩(wěn)定跟蹤。

        4 結(jié)語

        雖然經(jīng)過跟蹤接收機(jī)的相位修正,交叉耦合特性滿足天線的跟蹤要求,但是如果初始校相不是很好的話,特別是船舶地理位置跨象限時,在海上還需要對跟蹤接收機(jī)相位進(jìn)行手動微調(diào)。目前海上校相的方式也有很多種,在以后的船載衛(wèi)通站會有更多的應(yīng)用與推廣。

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