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卫星天线极化隔离度在轨测试方法


卫星天线极化隔离度在轨测试方法与误差分析 许国庆 摘要 本文首先建立卫星天线极化隔离度在轨测试的全程链路模型, 分析交叉极化分量产生 的机理, 给出一种符号表示方法标识由各天线馈源激励产生的各段链路上的信号。 分析和实 际测试结果表明, 主极化和交叉极化接收通道都会在两个相近的频点上产生多个极化分量矢 量合成的信号,如果频谱仪分辨率设置不当,则得不到正确的测试结果。由于无法完全分

离 地面天线和卫星天线的产生的交叉极化分量, 卫星天线极化隔离度受到地面天线极化隔离度 的影响,本文描述高精度测量的卫星天线极化隔离度在轨测试流程和误差分析方法。 关键词 极化隔离度 卫星天线 在轨测试 入网验证 误差分析

1 极化隔离度测试的模型与描述 1.1 全程链路模型 卫星天线极化隔离度测试的全程链路模型描述如下图 1 所示。 全程链路模型中包括四副天线,即地面站发射天线、卫星接收天线、卫星发射天线和地 面站接收天线。实际系统中,地面站收发共用一副天线,卫星收发也通常共用一副天线。每 个天线的馈源都会激励出交叉极化分量。
主极化通道 E11@f1 E21@f1 转发器 E111@f1 E211@f1 E121@f2 E221@f2 F1(主)

E12@f2 E22@f2

转发器 交叉极化通道 E122@f2 E222@f2 E112@f1 E212@f1

F1(交)

E1@f1

E1111@f1 E2111@f1 E1211@f2 E2211@f2

E2@f1(交) 发(主)

E1221@f2 E2221@f2 E1121@f1 E2121@f1

收(主)

发(交) E1222@f2 E2222@f2 E1122@f1 E2122@f1

收(交) E1112@f1 E2112@f1 E1212@f2 E2212@f2

图 1 卫星天线极化隔离度测试的全程链路模型 1.2 极化分量产生机理与符号标识方法 图 1 的模型描述了信号在各个输入输出点的变化以及新的极化分量激励产生的过程。 假设地面站在主极化通道 f1 频率发射信号 E1,地面站发射天线馈源同时在交叉极化通 道上激励出正交极化分量 E 2。这两个信号为卫星天线接收后,在主极化通道上产生两个分 量 E11@f1 和 E21@f1,其中 E 11 是输入信号 E1 通过卫星接收天线和主极化通道接收机后输出 的信号, E 21 是接收到的 E2 信号由于卫星接收天线馈源不理想又在主极化通道激励出的信号。 同样的原因,在交叉极化通道上,产生另两个分量 E12@f2 和 E22@f2。不同的是,E12 和 E22 的频率为 f2。 这是因为, 这两个信号通过的是交叉极化通道的接收机。 尽管来自同一参考源, 用于主极化通道和交叉极化通道的接收机的转换频率还是略有差别(量级在几百 Hz 以内) 。 两路信号通过转发器和卫星发射天线后, 由于卫星发射天线馈源的影响, 在主极化和交

叉极化通道分别产生四个分量,如图中所示。主极化通道中的四个分量标识为 E111@f1、 E211@f1、 E121@f2、 E221@f2, 交叉极化通道中的四个分量为 E 122@f2、 E 222@f2、 E 112@f1、 E212@f1。 卫星转发的信号为地面站接收,地面站接收天线的馈源同样会激励交叉极化信号。因此,在 地面站的主极化和交叉极化接收通道, 又各自产生总共 8 个信号。 地面站主极化接收通道的 8 个信号分量为:E1111@f1、E2111@f1、E 1211@f2、E 2211@f2、E 1221@f2、E2221@f2、 E1121@f1、 E2121@ f1,地面站交叉极化接收通道的 8 个信号分量为: E1222@f2、E2222@f2、 E1122@f1、 E2122@f1,E 1112@f1、E2112@f1、E 1212@f2、E 2212@f2。 以上的标识方法,有这样的特征:角标数字 1、 2 分别表示主极化和交叉极化通道,这 种表示法表明了信号分量的通道或极化变化和产生过程。例如 E 1、E 2 表示在地面站发射天 线输出口的两个通道的极化分量, E 11 表示 E1 通过卫星接收天线后在主极化支路形成的信号 分量,而 E12 则表示 E 1 通过卫星接收天线后在交叉极化支路产成的信号分量,余此类推。 角标数字序列的第一位表示地面站发射天线输出点的两个极化通道, 第二位表示通过卫星接 收天线和接收机后的两个极化通道, 第三位表示经过卫星发射天线后的两个极化通道, 第四 位表示地面站接收天线后的两个极化接收通道。 另外一个特点是, 标识数字序列中的第二位 还可表示信号的频率,1 就表示 f1 频点, 2 表示 f2 频点。 需要注意,主极化与交叉极化通道是相对的概念。即,当某一极化(例如垂直极化)的 信道因为感兴趣的信号而称为主极化信道时,与之正交的另一极化(例如水平极化)信道就 成为交叉极化信道,反之亦然。以上的符号标识和全程链路分量分析中,以某个主极化通道 发射信号为例并用符号 E 进行标识。在交叉极化通道上发射的测试信号用字符 X 表示。这 样, 地面站发射天线输出的两个通道极化分量分别为 X2@f1 、 X1@f1。 经过卫星接收天线后, 交叉极化信道内的信号分量包括 X22@f2、X12@f2,主极化通道内的信号分量包括 X21@f1 、 X11@f1。经过卫星发射天线后,主极化通道的四个分量标识为:X 111@f1、X 211@f1、X121@f2、 X221@f2,交叉极化通道的四个分量标识为:X122@f2、X 222@f2、X 112@f1、X 212@f1。地面站 接收后, 主极化接收通道的 8 个信号分量为: X 1111@f1、 X 2111@f1、 X 1211@f2、 X2211@f2、 X1221@f2、 X2221@f2、X 1121@f1、X2121@ f1,交叉极化接收通道的 8 个信号分量为: X 1222@f2、X2222@f2、 X1122@f1、X2122@f1,X 1112@f1、X 2112@f1、X1212@f2、X 2212@f2。可以看出这种符号标识法表 示的关系是完全对偶的。 1.3 信号分析 从上面的分析可以看出,地面站的主极化和交叉极化接收通道,在 f1 和 f2 频点都是四 个分量的合成。在主极化接收通道 f1 频点,E1111@f1、E 2111@f1、E1121@f1 和 E2121@ f1 四个分 量合成一个信号,这个信号除包括主要的传输分量 E 1111 外,受到地面站发射天线交叉极化 分量、卫星发射天线交叉极化和地面站接收天线交叉极化分量的影响。而在 f2 频点,则产 生四个极化分量 E 1211@f2、E 2211@f2、E 1221@f2 和 E 2221@f2 的合成。也就是说,在主极化接收 通道上,不仅能在 f1 频点上观察到在主极化通道上发射的信号,而且能在 f2 频点上观察到 由于各个天线馈源激励的交叉极化信号在主极化通道上耦合出来的信号。 在交叉极化接收通道同样能观察到两个信号。 在 f1 频点, E 1122@f1、 E 2122@f1、 E 1112@f1、 和 E2112@f1 四个分量合成一个信号。在 f2 频点,E 1222@f2、E 2222@f2、E 1212@f2 和 E2212@f2 四 个分量合成一个信号。 注意, 每个频点上的交叉极化分量都是由不同的多个天线馈源激励出 来的。测量天线的交叉极化隔离度时,必须根据被测量选择在哪个频点上测量。 2 测试误差分析与评价方法 2.1 定义 依据上节描述的全程链路模型和各极化分量产生的机理, 本节考察卫星天线收发极化隔

离度的定义和测试问题。 卫星天线接收极化隔离度[1,2]定义为: ISr = E11/E12 或用 dB 为单位表示为: ISr(dB) = 20log10(E11/E12) 卫星天线发射极化隔离度定义为: ISt = E111/E112 或用 dB 为单位表示为: ISt(dB) = 20log10(E111/E112) (3 ) (4) (1) (2)

2.2 测试原理描述与分析 为简化分析,考虑到在传输过程中,有的极化分量是经过多个馈源交叉激励产生的,对 总的合成分量贡献减弱,误差分析中是可以忽略不计的。例如 E 2121@ f1,先是由地面站发射 天线在交叉极化信道中激励出 E 2,到达卫星接收天线后又在主极化通道中激励产生 E21,再 经过卫星发射天线和地面接收天线的交叉激励,该分量对主极化通道 f1 频点产生的合成信 号来说,与其他分量的功率相比,相差 120dB 以上,完全可以忽略不计。 经过分析,对系统合成有贡献的分量总结如下: 主极化接收通道, f1 频点只需考虑 E1111@f1(其他分量都至少相差 30dB) ,合成分量表 示为 EC1;在 f2 频点,是四个分量 E1211@f2、E 2211@f2、E1221@f2 和 E 2221@f2 的合成,这四个 分量在不考虑信道增益差的情况下,其功率基本相同,表示为 EC2。 交叉极化接收通道, f1 频点只需考虑两个主要贡献的分量:E1122@f1 和 E 1112@f1,合成 分量表示为 EX 1;在 f2 频点主要贡献的两个分量为 E 1222@f2 和 E2222@f2,合成后的分量表示 为 EX2。 对卫星天线接收极化隔离度来说,应该分别测量主极化接收通道 f1 和交叉极化通道 f2 频点的两个信号功率进行运算。其数学表示为: ISr = EC1/EX2 ( 5) 对卫星天线发射极化隔离度来说,按照定义,分别在主极化接收通道 f1 频点和交叉极 化通道 f1 频点测量两个信号的功率,然后进行比值运算得到极化隔离度,即: ISt = EC1/EX1 (7) 需要指出, 以上仅是在原理上叙述天线极化隔离度的在轨测试方法, 实际测量中必须考 虑通道增益差和准确的两个接收机的转换频率差。另外,为避免产生过多的分量,在轨测试 时还可考虑关闭交叉极化信道,以提高测试精度。 2.3 极化隔离度测试误差分析 以下以发射天线交叉极化隔离度为例,分析测试产生的误差和如何评价测试结果。 从 ISt 的测试方法可以看出,交叉极化分量 EX1 实际是卫星发射天线和地面接收天线产 生的分量的合成, 也就是说, 卫星发射天线极化隔离度受到地面接收天线极化隔离度的影响, 这是误差贡献的主要因素。 主极化分量 EC1 的误差仅由测试频谱仪的读数误差决定, 实际上, 与交叉极化分量 EX1 相比,是可以忽略不计的。 以下主要分析 EX1 的测试误差。假设卫星发射天线产生的交叉极化分量(电场矢量, 余同)为 A,地面接收天线产生的极化分量为 B,两个信号合成为 C(即 EX 1) 。如图 2 所 示,误差模型归结为被测信号是两个信号的矢量合成。
B A C

图 2 两个信号的矢量合成 按照三角形的余弦定理,有: C2 = A2 + B2 + 2AB cos(?) 推导出: (C/A) 2 = 1 + (B/A)2 + 2(B/A) cos(?) (9) 定义 r = B/A,代表干扰信号与被测信号的幅度比。于是可以得到 EX1 的测量误差为: ?EX1 = 1+r2+2rcos(?) ?EX1(dB) = 10lg[1+r2+2rcos(?)] (10) ( 11) ( 8)

显然,测量误差与干扰信号和被测信号间的幅度比 r 和相角差 ?有关。相角差?在 (0,2?) 上是随机分布的。假设?在(0,2?)上服从均匀分布,计算误差量的平均值:

y?

1 2?

?

2?

0

[1 ? r 2 ? 2r cos(? )]d? ? 1 ? r 2

(12)

也就是说,平均测量误差主要是由两个信号的功率比决定。如果功率比为 1/10,则误差 为 0.4dB。如果为 1/5,则可达到 0.8dB。 2.4 评价 考虑到实际的测量情况是, 地面站天线的极化隔离度高于卫星天线的极化隔离度, 那么 干扰分量的幅度不会超过被测分量的幅度,由此得到最差情况的测量误差为? 3dB。 在评价卫星天线极化隔离度测量结果时,应该以最大测量误差 3dB 为极限。INTELSAT SSOG210 标准[4]在评价入网天线的极化隔离度时, 也是以 3dB 的测量误差为参考评价标准。 假设卫星天线极化隔离度的设计指标为 30dB, 那么测量结果在 27dB 到 33dB 之间都认为是 合格的。 3 提高测量精度的在轨测试流程 以下简要描述提高测量精度的在轨测试流程: (1) 测量主极化通道的精确转换频率; (2) 测量交叉极化通道的精确转换频率; (3) 分别测量地面接收链路主极化和交叉极化通道的增益,并计算增益差; (4) 分别测量全程链路主极化通道和交叉极化通道的增益,并计算增益差;此处, 两个通道是在全程链路的意义上定义的主极化和交叉极化通道。测试其中一个 通道的增益时,要关闭另一极化通道上的转发器。 (5) 地面站在主极化通道上发射测试信号,关闭交叉极化信道上的转发器;在地面 站主极化接收通道上测试信号功率,记为 EC1。 (6) 打开交叉极化通道上的转发器; (7) 依据前面测量的精确的转换频率,正确设置频谱仪,在地面站交叉极化接收通 道 f1 频点,即与主极化通道同样的频点测量信号功率,得到 EX 1。 (8) 计入地面链路的通道增益差后,按照公式(7)计算卫星发射天线交叉极化隔离 度。注意,测量结果中含有无法消除的地面接收天线隔离度的贡献。 (9) 在地面站交叉极化接收通道 f2 频点,测量信号功率,得到 EX2。 (10) 计入全程链路的通道增益差后,按照公式(6)计算卫星接收天线交叉极化隔离 度。注意,测量结果中含有无法消除的地面站发射天线极化隔离度的贡献。 提高测量精度的根本还是要提高地面站天线的极化隔离度。 另外, 使用自动化测试软件 进行在轨测试时,要注意,由于交叉极化通道中在 f1 和 f2 频点都有信号,不能单纯依靠 MarkerPeak 命令读取数据,这样往往不能得到正确的测试结果。

4 实测结果验证 图 3 和图 4 示出委内瑞拉一号卫星天线极化隔离度测试中得到的接收信号频谱图。

图 4 交叉极化接收通道频谱图 图 3 主极化接收通道频谱图 从图中能清楚的看到,在主极化和交叉极化接收通道的 f1 和 f2 频点,都有信号,验证 了前面分析的正确性。 5 结束语 卫星通信有效载荷的在轨测试和地面站的入网测试都会涉及到通过卫星信道的天线极 化隔离度测试, 实际测试中都会发现图 3 和图 4 呈现的现象。 本文通过建立卫星天线极化隔 离度测试的全程链路模型,用一种有效的符号标识方法详细的分析交叉极化分量产生的机 理,得出这样的结论,主极化和交叉极化通道接收机的频差导致在两个频点上观察到信号, 每个信号都是多个分量合成的结果, 并且能够清楚的看到每个分量的产生机理和对总合成分 量的贡献程度。 误差分析表明,测量精度主要受地面天线隔离度的影响。为达到一定的测试精度,对 在轨测试系统提出要求。按照 2.3 节的误差分析,要达到 1.2dB 的测量误差,要求在轨测试 系统的地面站天线的隔离度应优于卫星天线的隔离度 5dB, 频谱仪必须至少 10Hz 的分辨率。 本文的分析也适用于入网验证中天线极化隔离度的测试。 6 参考文献 [1] 吕海寰,蔡剑铭,甘仲民,陈九治. 卫星通信系统(修订本)[M]. 北京:人民邮电出版 社,1994 年. [2] 中华人民共和国国家标准 . GB/T 12639-90 . 通信卫星有效载荷性能的在轨测试方法[S]. [3] G.E.G.Rosell, B.Teixeira, A.Olimpiew, B.A.Petter sson, and S.B.Sanders. In-Orbit RF test of an INTELSAT VI spacecraft [J]. COMSAT Technical Review, 1991, 21: 339. [4] INTELSAT. SSOG 210. Earth Station Verification Tests Rev 4[S]. 2001.


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