卫星电视接收天线的极化匹配问题探析.doc

中国有线电视2004 (24)CHINA CABL E TEL EVISION ·卫星电卫星电视接收天线的极化匹配问题探析杨凤梅 (聊城大学 ,山东 聊城 252059)摘要 :接收天线的极化调整影响卫星电视的接收效果 ,极化匹配问题越来越受到人们的重视 。文章根据极化波的合成与分解规律以及前馈 、后馈式天线的结构区别 ,分析探讨极化波的接收与极化调整问 题 。关键词 :极化 ;馈源 ;极化角 ;高频头中图分类号 : TN927 + . 2文献标识码 :B文章编号 :1007 - 7022 (2004) 24 - 0069 - 04Analysis of Polarization Matching on Satellite TV Receiving AntennaYANG Feng2mei(Liaocheng University , Shandong Liaocheng 252059 , China)Abstract :The polarization adjustment of receiving antenna influence on the receiving effect of satellite television. The great importance of polarization matching has been attached. The paper discusses the receipt of polarization wave and polarization adjustment on the basis of synthesis and decomposition law of polarization wave and the struc2 tural differences of front feed antenna and hind feed one .Key words :Polarization ; Feed ; Polarization Angle ;LNB1 引言在我国卫星发展的早期 ,无论是自行研制的卫星(东 2 甲卫星) 还是租用的卫星 ( 亚洲卫星 1 号) ,接收 到的下行信号都只有一种极化 ( 偏振) 方式 ,对于这种 单极化方式 ,卫星电视的极化问题不会对接收产生严 重影响 ,即使极化匹配调整得不够好 ,也只表现为信号 偏弱 ,因而在接收天线的安装 、调试过程中 ,极化调整 常常不被重视 。随着卫星广播事业的发展 ,为充分利 用宝贵的频谱资源 ,在卫星数字压缩广播电视系统中 , 增加了转发信号的数量 ,广泛采用极化复用方式 ,即在 同一频带内利用不同极化波束传送两路电视信号 。例 如亚洲 2 号卫星 A 系列转发器下行为垂直极化 ,B 系 列转发器下行为水平极化 ,且两种极化的转发器频带有重叠部分 。在这种情况下 ,若极化匹配问题处理当 ,不仅导致极化损耗 ,降低接收信号的质量 ,还会生同频极化干扰 ,严重时会出现网纹 、马赛克甚至信中断的现象 。当前 ,卫星电视的极化匹配和调整问越来越受到重视 ,故有必要详细探讨电波的极化和星接收天线的极化匹配问题 ,从而明确了解极化调原理 。2天线的极化与极化匹配2. 1发射天线的极化发射天线的极化方式定义为它所发射的电磁波极化方式 , 由电磁波的电场矢量末端轨迹曲线决若 E 矢量端点在垂直于传播方向的固定平面上描的轨道是直线 ,这种波叫线极化波 ,若描绘轨道为椭作者简介 :杨凤梅 (19642 ) ,女 ,副教授 ,研究方向为数字视频的接收与处理 。极化方式有圆极化和线极化两类 。线极化波分为水平极化和垂直极化 ,在无线通信 早期 ,当时大多数的传输是采用线极化电磁波且沿着 地球表面传播 ,垂直和水平极化波的定义是以地平面为基准 ,垂直极化意味着电场方向与地球表面垂直 ,而 水平极化则意味着电场方向与地球表面平行 。尽管目 前卫星传输中也用到垂直和水平极化的术语 ,但垂直 和水平极化波的定义改为以卫星轴线为基准 ,卫星运 动的轨迹近似为圆 ,如果电场矢量与卫星所在点的圆切线方向一致 ,称为水平极化波 ,如果电场矢量方向与 卫星运动轨道平面 ( 即赤道平面) 垂直 ,称为垂直极化 波 ;椭圆 (圆) 极化波则有左旋 、右旋之分 ,按 IEEE 的定 义 ,沿电波传播方向看去 ,电场旋转方向是顺时针的称 为右旋极化波 ,电场旋转方向是逆时针的 ,称为左旋极化波 。线极化波和椭圆极化波之间可相互转化 , 如图 1 所示 ,两个等幅 、正交 、同相的线极化波合成为 45°方向 上的线极化波 ,两个等幅 、正交 、反相的线极化波合成 为 135°方向上的线极化波 ;两个相互正交 、相位相差正(负) 90°的线极化波合成为顺 (逆) 时针的椭圆极化波 , 若两个线极化波的幅度相同 , 则合成为圆极化波 ; 同 理 ,一个线极化波可以分解为两个旋向相反的圆极化 波 ,一个圆极化波也可以分解为两个相互正交 、相位相 差正 (负) 90°的等幅线极化波 。线能接收电波的全部能量 。若接收天线的极化方向与电波的极化方向不一 致 ,则为极化失配 ,这时会产生极化损失 ,只能接收部 分能量 。以线极化匹配为例 ,如果天线的极化方向与电波的极化方向之间存在夹角 ,则能接收到的功率 仅为电波功率的 cos2倍 , 极化损耗为 :L p = 20 lg (cos) dB当 = 90°时 ,极化损耗为 ,因此 ,线极化天线不 能接收与其正交的电波 ,即水平极化天线不能接收垂 直极化波 ,垂直极化天线不能接收水平极化波 ,同样 , 圆极化天线不能接收与其旋向相反的电波 。由于线极 化波和圆极化波之间可以相互转化 ,所以 ,接收线极化 波的天线也可以接收圆极化波 ,接收圆极化波的天线 也可以接收线极化波 ,但是会因丢失一个分量而产生 约 3 dB 的极化失配损耗 。3 天线馈源对极化波的接收与转换目前我国租用的国际卫星 ( IS - V) 上的天线发射 的是右旋极化波 ,而我国通信卫星发射的是水平极化波 。所以 ,一般卫星接收天线通常应能工作于线极化波和圆极化波两种状态 ,以便在不影响性能的情况下 ,方便地进行转换 。根据圆形波导结构对称 ,既可以接收 ( 发射) 圆极 化波 ,也可以接收 (发射) 线极化波的特点 ,天线馈源制 成开口的圆形波导形状 (称为馈源喇叭) 。但由于高频 头的输入端为矩形波导 ,只能接收线极化波 ,如果馈源 喇叭接收的是圆极化波 ,就必须在高频头前将圆极化 波转变为线极化波 。如前所述 ,圆极化波是由两个正 交 、等幅 、相差为 90°的线极化波组成的 ,如果设法改变两个线极化波的相位差 ,使其相位相同 ,这样两个线极化波叠加之后就成为 45°方向的线极化波 。在天线馈 源中 ,这个移相过程是由极化器完成的 ,极化器中常用的 90°移相器有介质移相器和销钉移相器两种 ,前馈馈 源多为介质移相器 ,采用一片低损耗的介质片 ,利用介质的相移常数不同 ,使平行于介质片的电场和垂直于 介质片的电场产生不同的相位速度 ,形成 90°的附加相 位差 ;而后馈馈源多采用销钉移相器 ,通常销钉的数目 为奇数对 ,销钉的深度可以调整 ,通过改变每个销钉的 深度 ,达到 90°移相的目的 。移相器中销钉或介质片所中国有线电视2004 年第 24 期杨凤梅 :卫星电视接收天线的极化匹配问题探卫 星 接 收 天线 的 极 化 方 向 为 连 接 在 天 线 馈 源 上 的 高 频 头 中 探 针 的 方 向 , 即 高频 头 输 入 波 导 的 窄边 方 向 。通 过 调 整 极 化 器 , 可 以 改 变 接 收 天 线 的 极 化 方 向 , 实现 与 不 同 卫 星 各 种 极 化 电 波 的 匹 配 。4 . 1 圆极化波的 接收利 用 卫 星 天 线 接 收 圆 极 化 波 时 , 接 收 天 线 的 调 整 相 对 简 单 一 些 , 只 要 旋 向 正确 便 可 正 常 接 收 , 极 化 调 整 时 应 特 别 注 意 以 下3 点 。(1) 通过极化图 2前馈天线 、后馈天线结构极化波的旋向及移相面的位置在接收线极化波时 ,极化方向由矩形波导口的器转换得到的线极化波的极化方向应与高频头矩形波导的窄边方向平行 。(2) 圆极化波经反射后 ,反射波的旋向与入射波的 旋向相反 。对前馈天线 ,天线的反射面把来自高空中 卫星上的波束反射到馈源时 ,左旋波成为右旋波 ,右旋波成为左旋波 ,对后馈天线 ,由于电波要经过两次反射 才能到达馈源 ,因此 ,在到达馈源时 ,波的旋向不变 。 (3) 在 IEEE 给出的右旋 、左旋极化波的定义中 ,观 察方向是顺着电波的传播方向 ,电场旋转方向顺时针 时为右旋波 ,逆时针时为左旋波 。而在实际的极化调整操作中 ,往往是从馈源后方 ( 法兰盘处) 向馈源前方 看 ,观察方向逆着电波的传播方向 ,因而 ,右旋波的电 场旋转方向为逆时针 ,左旋波的电场旋转方向为顺时 针 。为便于理解和参考 ,图 2 给出了前馈 、后馈天线的结构 ,标明了两种天线在接收圆极化波时 ,从法兰盘向 馈源观察波束的旋向和移相器的具体调整方位 。4 . 2 线极化波的接收向确定 ,接收水平极化波时 , 波导口的窄边与地面行 ,接收垂直极化波时 ,波导口的窄边与地面垂直 。线极化匹配调整中麻烦的问题是 ,卫星转发器射的线极化波是以卫星的轴系为基准定义的 ,而地接受天线的线极化方向则以地平面为基准 ,只有与星定点经度相同的地面站 ,两者的定义才一致 ,如果面站与卫星的经度不同 ,两种定义给出的线极化波取向就产生倾斜 ,如图 3 所示 ,离卫星定点经度越倾斜越严重 。为了实现极化匹配 ,接收站的馈源必相对于地平面扭转一个角度 (即极化角 ) 。工程上 ,对于简单圆波束覆盖 ,地面接收天线的化角 可由下式计算 := arctan( < - < / tan g)s其中 : < 为卫星经度 , < 为接收站经度 ,为接sg站纬度 。极化角的取值有零 、正 、负之分 , 对北半球卫星地面站而言 , 当接收正南方向的卫星信号时 , 极角为 0 ; 当接收南偏西方向的卫星信号时 , 极化角为卫星电视信号的圆极化形式和线极化形式在技术上没有优劣之分 ,在使用中 ,圆极化馈源的结构比较复 杂 (必须有 90°移相器) ,但安装和维护简单 ; 线极化馈 源的结构比较简单 ,但安装和使用比较复杂 。此外 ,圆极化波在穿过雨雾层和电离层时 ,能量损耗小 ,电离层 产生的法拉第旋转效应对圆极化波也没有影响 ; 对于 线极化波 ,法拉第旋转产生的极化角度偏移 ,会导致极 化损耗 ,因此 ,在线极化调整时 ,应根据极化角调整到 位后再进行微调 ,以获得最佳的接收效果 。参考文献 :丹尼斯·罗迪 . 卫星通信 M .北京 : 人民邮电出版社 ,2002 .王秉均 ,田宝玉 ,王少勇. 数字卫星通信 M .北 京 :中国铁道出版社 ,1998 .车睛 ,王京玲. 数字卫星广播系统 M .北京 :北京广播学院出版社 ,2000 .刘革 ,傅吉玖. 谈卫星接收极化的调整 J .中 国有线电视 ,2002 , (8) :46 - 47 . 收稿日期 :20042062281图 3极化角与高频头放置方向的关系正 ; 当接收南偏东方向的卫星信号时 , 极化角为负 。 值得注意的是 , 虽然对于线极化波 , 反射不会改变其方向 , 但对前馈天线 , 因是站在天线前面背对卫星从矩形波导口向馈源看过去 , 以接收水平极化波为例 , 当 > 0 时 , 矩形波导口逆时针转动 , 当 < 0 时 ,矩形波 导口顺时针转动 (参见图 3) ;而对后馈天线 ,因是站在 天线后面面向卫星从矩形波导口向馈源看过去 ,所以 矩形波导口转动方向与前馈天线刚好相反 。234近 5 000 万付费电视订户使用 NDS 条件接收技术2004 年 11 月 29 日 ,新闻集团旗下的数字付费电视技术解决方案领先提供商 NDS 公司宣布 : 在纳斯达克 (NASDAQ) 股票市场上市 5 周年 。目前 ,全球有 4 780 万付费电视订户正在使用 NDS 的条件接收技术 ,NDS 同时 在提供数字电视节目安全解决方案方面继续保持领先地位 ,现在 ,NDS 的技术保护着 200 亿美元以上的客户服 务收入 。在纳斯达克上市的 5 年间 ,NDS 的订户数量由 1 550 万上升到 4 780 万 ,年营业收入由 2 亿美元升至为 4 亿 美元 。在宣布上市 5 周年之际 ,NDS 发表了令人欣喜的收入报告 : 最近公布的 2005 财年第一季度收入报告表 明 ,NDS 在季度营业收入和税前利润 ( EB ITA) 两方面都再创新高 ,前者达到 1 . 54 亿美元 ,后者为 3 300 万美元 。NDS 业务持续增长主要得益于公司不断开拓市场和开发前沿技术 :NDS 已进一步承诺通过对中间件的投资 ,为数字付费电视运营商提供解决方案 ,截止目前 ,其 Media Highway中间件的出货量超过 2 000 万套 ;NDS 开发了一系列重要的新产品 ,其中包括 NDS XTV ® 数字录像机 (DVR) ,该产品通过 NDS 的 4 家客户进 行发售 ,销量近 50 万台 ;NDS 的互动游戏和博彩解决方案得到广泛应用 ,帮助 NDS 客户吸引和留住订户 。NDS 总裁兼首席执行官 Abe Peled 博士表示 :在 NASDAQ 上市的 5 年中 ,我们实现了稳定而高效的发展 。我 们十分荣幸能够在稳步发展数字付费电视产品和服务组合的同时 ,为此行业的众多领先企业提供服务 。我们将