CN104064872A - 一种高精度低噪声Ku频段有源极化跟踪器 - Google Patents

Abstract

一种高精度低噪声Ku频段有源极化跟踪器，实现在移动状态下天线极化跟踪功能。该有源极化跟踪器包括低噪声放大电路、极化控制电路、供电电路和移相器控制电路。低噪声放大电路完成天线信号的接收和放大功能，极化控制电路实现相位校准以及极化跟踪功能，供电电路为低噪声放大电路及数字移相器等器件供电，移相器控制电路控制数字移相器的移相状态。本发明目的是调整和消除“动中通”接收天线的交叉极化干扰，以提高移动卫星通信质量。

Description

一种高精度低噪声Ku频段有源极化跟踪器

技术领域

本发明涉及一种高精度低噪声Ku频段有源极化跟踪器，属于移动卫星通信领域。

背景技术

在2003年伊拉克战争期间，美军指挥官发现当时的通信系统无法在运动中满足指挥的需求，部队不得不停下来竖起天线进行联络。这样不仅浪费时间，还使战场态势感知出现问题，而且很容易遭到敌人攻击。美军的这一经历，促进了“动中通”技术的发展。数字化网络在地面作战中应用日益普遍以及指挥控制节奏越来越快也推进了“动中通”技术的发展。

目前“动中通”技术已成为美军发展的热点卫星通信技术。多种型号、多种功能的“动中通”卫星终端系统已经大量装备美军部队。其中最典型的是已经装备海陆空三军的具有保密、移动、抗干扰和高可靠性等优点的多通道战术终端(SMART-T)。此外还有“车载战斗动中指挥”系统(MBTOCM)，其工作频率可覆盖Ku、Ka、X波段，已经向美陆军提供非装甲“悍马”车载终端系统；Ku波段卫星通信系统可同时工作在Ku、Ka、X波段，已应用于美陆军“黑鹰”机载指挥控制系统；X波段动中通卫星终端已向欧洲客户交付多部。同时还有其他多种“动中通”卫星终端系统向美军提供各种服务。在已经投入使用的多种“动中通”卫星终端系统的基础上，美军非常重视发展能满足“动中通”要求的军事通信卫星系统，并希望能将“动中通”的通信能力扩展到极高频，并在最新的卫星系统中实现无缝链接。同时要求数据传输率超过300Mb/s，为作战人员提供安全、可靠、超视距通信能力等多种功能要求。

近年来，随着“动中通”在应急、救灾、媒体传播等领域发挥着越来越重要的作用，“动中通”也成为我国卫星通信的重要应用之一。“动中通”移动卫星通信终端也大量应用于新闻采集、公安执勤、抢险救灾、打击恐怖主义、海上缉私等领域。例如2013年四川雅安地震过后，芦山震区通信全部中断，当时武警与消防车载“动中通”系统向全国传出了震区的损毁情况，为以后救灾工作的开展发挥了巨大的作用。但是我国“动中通”卫星通信在军事、民用上的应用与美国还有很大的距离。因此，迫切需要国内开发“动中通”卫星通信系统在车载、机载、舰载等领域的应用。

本发明正是在这样的背景下，为机载“动中通”卫星通信终端而研发的高精度、超低噪声的Ku频段有源极化跟踪器。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高精度低噪声Ku频段有源极化跟踪器，实现在移动状态下对天线的极化跟踪功能，目的在于调整和消除“动中通”接收天线的交叉极化干扰。

本发明的技术解决方案是：

一种高精度低噪声Ku频段有源极化跟踪器，包括：低噪声放大电路、极化控制电路、供电电路和移相器控制电路；低噪声放大电路包括第一低噪放LNA1和第二低噪放LNA2，实现接收信号的放大功能。

极化控制电路包括第一数字移相器D1、第二数字移相器D2、第三数字移相器D3、第四数字移相器D4、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一3dB电桥和第二3dB电桥；

供电电路给低噪声放大电路和极化控制电路供电，外部输入的垂直信号经过低噪声放大电路放大之后，送入第二数字移相器D2中，外部输入的水平信号经过低噪声放大电路放大之后，送入第一数字移相器D1中，第一数字移相器D1和第二数字移相器D2在移相器控制电路输出的控制信号控制下，对输入到自身的信号进行移相处理，之后送入第一3dB电桥进行耦合处理，之后将生成的两路信号分别送入第三数字移相器D3和第四数字移相器D4中，第三数字移相器D3和第四数字移相器D4在移相器控制电路输出的控制信号控制下，对信号进行移相处理并送入第二3dB电桥，从而实现调整第二3dB电桥两个输入支路信号的相位，进而控制第二3dB电桥的两路输出信号幅度，第二3dB电桥的两路输出信号分别经过第一带通滤波器和第二带通滤波器滤波之后输出。

第一数字移相器D1的输出信号和第二数字移相器D2的输出信号相位相同，消除水平极化信号分量和垂直极化信号分量的相位差。

第四数字移相器D4的输出信号和第三数字移相器D3的输出信号相位差等于接收极化信号极化角变化量的2倍，实现对接收极化信号的实时跟踪。

第一低噪放和第二低噪放都由三级低噪声放大器级联组成，两路低噪放的增益、相位和噪声特性完全一致。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)对具有任意相位差的水平极化信号分量和垂直极化信号分量，本发明能够实现校准信号相位和消除极化干扰。

(2)对天线接收到的任意线极化方向的信号，本发明能够改变信号的线极化方向。

(3)本发明的输出电路采用3dB电桥代替合路器，有两个输出端口，可以输出不同幅度组合的信号。若只应用一个输出端口，可以直接输出水平极化信号分量和垂直极化信号分量的合成信号。

(4)发明设计时采用四个数字移相器和两级3dB电桥控制和消除交叉极化引起的偏差，控制精确，精度更高，卫星信号实时跟踪更准确。

(5)本发明输出端将两个带通滤波器接3dB电桥的两个输出端，能够实现更高的交叉极化隔离度。

附图说明

图1为本发明Ku频段有源接收极化跟踪器组成原理示意图。

具体实施方式

由于频谱资源日益紧张，卫星通信普遍采用正交极化的频率复用技术。理想情况下正交极化端口间互不影响，但在实际应用中，由于极化角的扰动以及大气去极化等因素影响，通信卫星与地面移动终端通信时会产生交叉极化干扰。极化角扰动是指“动中通”卫星通信终端在行驶的过程中遇到颠簸、空间阻隔等情况，造成终端姿态随时在变化，引起天线对星所需的方位、俯仰、极化三个角度发生改变。大气去极化是指大气层对流层的多经效应、降雨去极化以及电离层的法拉第旋转效应对引起极化波偏离原来指向。“动中通”卫星通信终端必须消除这两种因素引起的交叉极化干扰，实现与通信卫星的极化，保证在运动中的通信质量。

Ku频段有源极化跟踪器主要由四个部分组成：一是低噪声放大电路，对信号进行接收与放大；二是极化控制电路，实现相位校准和极化信号跟踪；三是供电电路，为所有器件供电，四是移相器控制电路，控制数字移相器的移相状态。

目前，国内移动卫星通信终端相关研究单位已经对“动中通”卫星通信终端进行了相关探索与研究，但是有文献可查的产品比较少，多数也只是局限于理论研究。这里以2012年电子科技集团38所研制的移动卫星通信终端天线极化跟踪系统为例，说明其与本发明的异同。

据目前可查资料，2012年电子科技集团38所研制了移动卫星通信终端天线极化跟踪系统，其工作方式是将双极化信号经过3dB电桥，然后一路信号经过一个移相器，进入合成器，另一路信号直接进入合成器，经合成器后测量天线接收到的信号。此种方法可以控制移相器的移相量实现极化跟踪。但是由于进入电桥的双极化信号的相位可能差别很大，而现有的移相器精度有限，采用一个移相器的做法对跟踪精度来说不敏感，影响跟踪效果。

本发明所阐述的有源极化跟踪器综合考虑跟踪系统的需求、使用便利性及环境适应性等多方面因素，而自主开发设计。本发明可以完成极化跟踪系统的信号接收、交叉极化信号的调整等内容，将天线输出的正交双极化信号合成为空间任意角度的线极化波，完成Ku频段卫星通信信号的极化跟踪。本发明进行了技术创新，经过试验，取得很好的试验成果，试验结果表明有源极化跟踪器的噪声系数≤0.8dB，交叉极化隔离度：≥30dB，极化跟踪角步进：≤3°。

下面详细阐述该有源极化跟踪器基本原理。

正交双极化天线接收到的有源极化跟踪器的水平极化信号分量和垂直极化信号分量分别为(所有相位关系均限定在一个周期内)：

E_h＝E₀cosθcosωt (1)

E_v＝E₀sinθcos(ωt+α) (2)

其中，E₀为接收信号电场幅度，ω为信号角频率，t为时间变量，E_h为跟踪器接收到的水平极化信号，E_v为跟踪器接收到的垂直极化信号，θ为极化信号的极化角，α为接收到的两路极化信号分量相位差。

经过有源极化跟踪器的低噪声放大电路和数字移相器D1、D2后，两路信号分别变为：

其中，A为低噪声放大电路的增益以及数字衰减器的插损，和为数字移相器D1和D2的移相值。

经过极化控制电路后得到，输出端口1得到的输出信号为：

输出端口2得到的输出信号为:

其中，和为数字移相器D3和D4的移相值。数字移相器D1和D2实现相位校准功能，即满足：

在满足式(8)条件下，输出信号变为：

式(8)和式(9)表明，可以通过调节数字移相器D1和D2实现对两路接收极化信号分量的相位校准，并可以通过调节数字移相器D1和D2实现对接收极化信号极化角的跟踪。

根据以上原理，如图1所示，本发明提出了一种高精度低噪声Ku频段有源极化跟踪器，包括：低噪声放大电路、极化控制电路、供电电路和移相器控制电路；

极化控制电路包括第一数字移相器D1、第二数字移相器D2、第三数字移相器D3、第四数字移相器D4、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一3dB电桥和第二3dB电桥；

供电电路给低噪声放大电路和极化控制电路供电，外部输入的垂直信号经过低噪声放大电路放大之后，送入第二数字移相器D2中，外部输入的水平信号经过低噪声放大电路放大之后，送入第一数字移相器D1中，第一数字移相器D1和第二数字移相器D2在移相器控制电路输出的控制信号控制下，对输入到自身的信号进行移相处理，之后送入第一3dB电桥进行耦合处理，之后将生成的两路信号分别送入第三数字移相器D3和第四数字移相器D4中，第三数字移相器D3和第四数字移相器D4在移相器控制电路输出的控制信号控制下，对信号进行移相处理并送入第二3dB电桥，从而实现调整第二3dB电桥两个输入支路信号的相位，进而控制第二3dB电桥的两路输出信号幅度，第二3dB电桥的两路输出信号分别经过第一带通滤波器和第二带通滤波器滤波之后输出。

第一数字移相器D1的输出信号和第二数字移相器D2的输出信号相位相同，消除水平极化信号分量和垂直极化信号分量的相位差。第四数字移相器D4的输出信号和第三数字移相器D3的输出信号相位差等于接收极化信号极化角变化量的2倍，实现对接收极化信号的实时跟踪。第一低噪放和第二低噪放都由三级低噪声放大器级联组成，两路低噪放的增益、相位和噪声特性完全一致。

Claims (4)

1.一种高精度低噪声Ku频段有源极化跟踪器，其特征在于包括：低噪声放大电路、极化控制电路、供电电路和移相器控制电路；

低噪声放大电路包括第一低噪放LNA1和第二低噪放LNA2，实现接收信号的放大功能。

极化控制电路包括第一数字移相器D1、第二数字移相器D2、第三数字移相器D3、第四数字移相器D4、第一带通滤波器、第二带通滤波器、第一3dB电桥和第二3dB电桥；

供电电路给低噪声放大电路和极化控制电路供电，外部输入的垂直信号经过低噪声放大电路放大之后，送入第二数字移相器D2中，外部输入的水平信号经过低噪声放大电路放大之后，送入第一数字移相器D1中，第一数字移相器D1和第二数字移相器D2在移相器控制电路输出的控制信号控制下，对输入到自身的信号进行移相处理，之后送入第一3dB电桥进行耦合处理，之后将生成的两路信号分别送入第三数字移相器D3和第四数字移相器D4中，第三数字移相器D3和第四数字移相器D4在移相器控制电路输出的控制信号控制下，对信号进行移相处理并送入第二3dB电桥，从而实现调整第二3dB电桥两个输入支路信号的相位，进而控制第二3dB电桥的两路输出信号幅度，第二3dB电桥的两路输出信号分别经过第一带通滤波器和第二带通滤波器滤波之后输出。

2.根据权利要求1所述的一种高精度低噪声Ku频段有源极化跟踪器，其特征在于：第一数字移相器D1的输出信号和第二数字移相器D2的输出信号相位相同，消除水平极化信号分量和垂直极化信号分量的相位差。

3.根据权利要求1所述的一种高精度低噪声Ku频段有源极化跟踪器，其特征在于：第四数字移相器D4的输出信号和第三数字移相器D3的输出信号相位差等于接收极化信号极化角变化量的2倍，实现对接收极化信号的实时跟踪。

4.根据权利要求1所述的一种高精度低噪声Ku频段有源极化跟踪器，其特征在于：第一低噪放和第二低噪放都由三级低噪声放大器级联组成，两路低噪放的增益、相位和噪声特性完全一致。