林集敏

（國(guó)家新聞出版廣電總局2023臺(tái)，海南三亞 571800）

在我國(guó)衛(wèi)星發(fā)展的早期，由于當(dāng)時(shí)世界各國(guó)衛(wèi)星數(shù)量不多，頻道占用不擁擠，上星節(jié)目也不多，衛(wèi)星極化較為簡(jiǎn)單，極化方式比較單一，極化問(wèn)題不會(huì)對(duì)信號(hào)接收產(chǎn)生較大的影響，因而在接收天線的安裝、調(diào)試過(guò)程中，極化調(diào)整常常不被重視。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，世界格局發(fā)生巨大變化，衛(wèi)星及上星節(jié)目數(shù)量越來(lái)越多，頻道越來(lái)越擁擠，所以極化復(fù)用作為提高頻道利用率手段，成為最有效的解決方法。

1 極化方式介紹

1.1 極化方式分類

決定極化方式的不是衛(wèi)星接收天線，而是衛(wèi)星信號(hào)的極化方式。極化反映了電磁波電場(chǎng)矢量隨時(shí)間變化的規(guī)律。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)的電場(chǎng)矢量運(yùn)行軌跡成一條直線時(shí)，這樣的電波叫做線極化電波，當(dāng)星信號(hào)的電場(chǎng)矢量運(yùn)動(dòng)軌跡平行地平面時(shí)，這樣的電波叫做水平極化電波，當(dāng)星信號(hào)的電場(chǎng)矢量運(yùn)動(dòng)軌跡垂直地平面時(shí)，這樣的電波叫做垂直極化電波。沿著電波傳播的方向看，電場(chǎng)矢量端點(diǎn)的運(yùn)行軌跡為一個(gè)圓，這樣的電波叫圓極化。圓極化分為左旋圓極化、右旋圓極化。沿著電波傳播的方向看，電場(chǎng)矢量端點(diǎn)的運(yùn)行軌跡為一個(gè)橢圓，這樣的電波叫橢圓極化。線極化和圓極化是橢圓極化的兩種特殊的變化形式。但是，通常在衛(wèi)星廣播和通信領(lǐng)域，一般都不采用橢圓極化的方式，因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)，電場(chǎng)的大小和方向都發(fā)生變化，接收端不容易接收信號(hào)，接收設(shè)備也會(huì)變的復(fù)雜。

1.2 極化隔離

為了科學(xué)合理地利用衛(wèi)星頻率資源，提高帶寬利用率，在數(shù)字衛(wèi)星廣播通信中，采用的最經(jīng)濟(jì)的方法就是頻率復(fù)用技術(shù)，即在同一頻帶內(nèi)傳送兩套不同的信號(hào)，為了確保兩套信號(hào)在傳輸互相不影響、干擾，必須要滿足兩個(gè)衛(wèi)星信號(hào)之間的相位相差九十度的條件，這種衛(wèi)星信號(hào)的極化隔離方法，可以讓兩種衛(wèi)星信號(hào)之間不會(huì)發(fā)生互相干擾。極化隔離的方法同時(shí)能適用于線極化和圓極化。

在線極化中包含兩種極化方式，即垂直極化和水平極化。這兩種極化方式是相互正交的，也就是說(shuō)，垂直極化的信號(hào)相位矢量在水平方向的投影分量為0，水平極化的信號(hào)相位矢量在垂直方向的投影分量為0，衛(wèi)星接收天線無(wú)法同時(shí)接收水平和垂直兩種極化方式的信號(hào)。線極化方式是區(qū)域性廣播通信衛(wèi)星中常用的極化隔離方式，優(yōu)點(diǎn)是接收設(shè)備簡(jiǎn)單，造價(jià)低，但工程時(shí)，接收天線調(diào)整調(diào)試過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要一定的專業(yè)知識(shí)。

在圓極化中也采用極化隔離方式進(jìn)行信號(hào)傳輸，左旋極化的信號(hào)與右旋極化的信號(hào)互相正交，兩個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成線極化后，在對(duì)方的投影分量也為0，所以圓極化接收天線只能同時(shí)接收一種圓極化信號(hào)。洲際衛(wèi)星普遍采用圓極化方式，優(yōu)點(diǎn)是接收天線調(diào)整簡(jiǎn)單，但設(shè)備相對(duì)復(fù)雜一些。

需要說(shuō)明的是，圓極化波可以分解為兩個(gè)線極化波，一個(gè)垂直極化，另一個(gè)水平極化，所以圓極化天線不但可以接收線極化波，而且線極化天線也可以接收?qǐng)A極化波，但這樣的接收方式，會(huì)造成3dB的損耗。

2 數(shù)字衛(wèi)星接收天線的極化調(diào)整

由于洲際衛(wèi)星和區(qū)域性衛(wèi)星采用的極化方式不同，加之線極化與圓極化之間可以互相轉(zhuǎn)化接收，所以，一般衛(wèi)星接收天線可以接收線極化信號(hào)和圓極化波信號(hào)，以便提高天線的利用率。

2.1 接收?qǐng)A極化衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)整方法

洲際衛(wèi)星大多是圓極化方式，在衛(wèi)星接收天線中，廣泛采用使用喇叭天線作為饋源，而喇叭天線的核心是一個(gè)圓波導(dǎo)，之所以采用圓波導(dǎo)，是為了確保衛(wèi)星接收天線既能圓極化信號(hào)，也能接收線極化信號(hào)，避免因衛(wèi)星信號(hào)極化類型改變后造成天線硬件的大幅度改動(dòng)。所以圓波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是完全對(duì)稱的。作為天線的一部分，饋源是通過(guò)法蘭盤(pán)與高頻頭連接在一起的，由于高頻頭的輸入端為矩形波導(dǎo)，只能接收線極化波，因此在饋源內(nèi)部必須設(shè)有一個(gè)圓矩變換段，將圓波導(dǎo)逐步過(guò)渡到矩形波導(dǎo)。饋源喇叭接收的是圓極化波，就必須在高頻頭前改變信號(hào)的極化類型，才能讓只能接收線極化的高頻頭接收變換后的圓極化。由于圓極化波是可以分解成兩個(gè)等幅且極化隔離的線極化波，所以只有通過(guò)改變兩個(gè)線極化波的相位差，設(shè)法同相，才可以被矩形波導(dǎo)的高頻頭接收。

在衛(wèi)星接收天線中采用90°移相器實(shí)現(xiàn)圓極化到線極化轉(zhuǎn)化的。常用的轉(zhuǎn)化方法有介質(zhì)移相和銷釘移相兩種方法，介質(zhì)移相用于前饋天線，銷釘移相用于后饋天線。介質(zhì)移相原理是：采用一片用高氯化鋁瓷或聚四氟乙烯制作的低損耗的介質(zhì)片，固定在饋源的圓波導(dǎo)內(nèi)，方向是圓波導(dǎo)的直徑方向，這樣當(dāng)平行于介質(zhì)片的電場(chǎng)和垂直于介質(zhì)片的電場(chǎng)通過(guò)介質(zhì)片時(shí)，由于介質(zhì)片的電磁特性導(dǎo)致介質(zhì)片對(duì)平行性介質(zhì)的電場(chǎng)與對(duì)垂直于介質(zhì)的電場(chǎng)的影響大不相同，導(dǎo)致兩個(gè)方向的電場(chǎng)的相位速度發(fā)生改變，平行于介質(zhì)片的電場(chǎng)相位速度改變較少，可以忽略不計(jì)，而垂直于介質(zhì)的電場(chǎng)的相位改變很大，相位產(chǎn)生90°相移，從而實(shí)現(xiàn)圓極化向線極化的轉(zhuǎn)變。而銷釘移相對(duì)用于后饋饋源，一般是在波導(dǎo)內(nèi)，安裝奇數(shù)對(duì)銷釘，銷釘?shù)纳疃瓤梢哉{(diào)整。改變銷釘?shù)纳疃?，可以改變平行于銷釘排列方向的電場(chǎng)的電抗性質(zhì)，電抗特性可以從容性變成感性，也可以從感性變成容性；而垂直于銷釘排列方向的電場(chǎng)分量影響很小，把銷釘調(diào)整到合適位置，就可以實(shí)現(xiàn)平行于銷釘排列方向的電場(chǎng)發(fā)生90°移相，從而實(shí)現(xiàn)圓極化向線極化的轉(zhuǎn)變。通過(guò)調(diào)整極化器與地平面的角度，可以改變接收天線接收衛(wèi)星信號(hào)的極化方式，這樣一副天線就能同時(shí)接收到不同極化方式的衛(wèi)星信號(hào)了。

在接收?qǐng)A極化的衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，接收天線的極化調(diào)整相對(duì)會(huì)簡(jiǎn)單，只要將波導(dǎo)的旋向調(diào)節(jié)正確便可順利接收，但還需要特別注意的是圓極化信號(hào)在轉(zhuǎn)化為線極化波時(shí)，其極化方向是與高頻頭矩形波導(dǎo)的窄邊方向平行的。衛(wèi)星接收天線接收信號(hào)必須經(jīng)過(guò)反射，其中前饋式接收天線要經(jīng)過(guò)一次反射，后饋式天線要經(jīng)過(guò)二次反射，經(jīng)過(guò)一次反射的前饋天線，反射波的旋向與入射波的旋轉(zhuǎn)方向正好相反，左旋波成為右旋波，反之亦然。需要經(jīng)過(guò)兩次反射才能接收的后饋天線，圓極化的旋向不變。此外站在接收天線的后方，沿著信號(hào)傳播方向看去，由于觀察方向正好與信號(hào)傳播方向相反，因而，右旋極化的衛(wèi)星信號(hào)旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)該為逆時(shí)針，左旋極化的衛(wèi)星信號(hào)旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)該為順時(shí)針。

2.2 接收線極化衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)整方法

在接收線極化波時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)的線極化模式是由矩形波導(dǎo)口的窄邊方向決定的。當(dāng)衛(wèi)星接收天線需要接收水平極化信號(hào)時(shí)，就把波導(dǎo)口的窄邊調(diào)整到與地平面平行；當(dāng)衛(wèi)星接收天線需要接收垂直極化信號(hào)時(shí)，就把波導(dǎo)口的窄邊調(diào)整到與地平面垂直。此外調(diào)整接收線極化衛(wèi)星信號(hào)的衛(wèi)星接收天線時(shí)，除需要調(diào)整波導(dǎo)口的窄邊外，還需要調(diào)整極化角。

衛(wèi)星接收天線的極化角是指接收點(diǎn)的地平面與接收天線口面的交線和電波的水平極化矢量之間的夾角。衛(wèi)星信號(hào)波束發(fā)射的線極化波是以衛(wèi)星的軸系為基準(zhǔn)定義的，而衛(wèi)星接收天線的線極化方向則以地平面為基準(zhǔn)，只有衛(wèi)星接收天線與衛(wèi)星定點(diǎn)經(jīng)度相同，兩者的角度才一致，如果接收地點(diǎn)的經(jīng)度與衛(wèi)星的經(jīng)度不同，兩者之間就會(huì)出現(xiàn)夾角，衛(wèi)星發(fā)射的線極化波與接收點(diǎn)的地平面就產(chǎn)生傾斜，與衛(wèi)星定點(diǎn)經(jīng)度相差越大夾角就越大，所以為了實(shí)現(xiàn)極化匹配，衛(wèi)星接收天線必須相對(duì)于地平面扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度（即極化角α），使之與衛(wèi)星信號(hào)波束的線極化波的保持平行，才能使接收衛(wèi)星信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到最大，不同的線極化波束之間的干擾達(dá)到最小。一般情況下，在北半球，當(dāng)衛(wèi)星位于正南方向時(shí)，極角為0°；當(dāng)衛(wèi)星位于正南偏西方向時(shí)，極化角大于0°；當(dāng)衛(wèi)星位于正南偏東方向時(shí)，極化角小于0°。對(duì)應(yīng)到具體調(diào)整衛(wèi)星接收天線就是：面對(duì)天線正面，對(duì)于前饋天線，當(dāng)極化角大于0°，矩形波導(dǎo)向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)極化角小于零度，矩形波導(dǎo)則向順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；而對(duì)于后饋天線來(lái)說(shuō)，由于波導(dǎo)位于天線后面，矩形波導(dǎo)口轉(zhuǎn)動(dòng)方向與前饋天線剛好相反。

3 小結(jié)

衛(wèi)星接收天線的調(diào)整需要一定的理論知識(shí)和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)際工作中，工程人員往往重視接收衛(wèi)星天線的方位角和仰角，對(duì)極化方式和極化角知之甚少，所以這里筆者結(jié)合自己曾經(jīng)掌握的知識(shí)，對(duì)衛(wèi)星接收天線極化調(diào)整做深入的探析，希望對(duì)實(shí)際工作人員能夠起到幫助。

[1]克勞斯，馬赫夫克.天線[M].3版.電子工業(yè)出版社，2011.

[2]丁榮林，李媛編.微波技術(shù)與天線[M].2版.機(jī)械工業(yè)出版社，2013.