CN104821434A - 电子调谐自动极化跟踪系统及其运作方式 - Google Patents

Abstract

一种电子调谐自动极化跟踪系统，包括微波电路板和数字控制电路板，该微波电路板包括依次信道连接的低噪声放大电路单元、极化控制单元、功率合成单元和微带滤波器，将微波电路板中所包括的所有单元以及数字控制电路板集成在两块印刷电路板上，并通过插针依次连接，数字控制电路板通过串行外设接口接收天线控制器的动态极化角，并控制微波电路板。该电子调谐自动极化跟踪系统以及运作方式能够显著提高系统G/T值，抑制正交极化干扰信号，降低对天线板的交叉极化隔离度要求，抑制发射通道信号对接收通道信号的干扰。

Description

电子调谐自动极化跟踪系统及其运作方式

【技术领域】

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及移动载体天线与卫星之间的通信技术。

【背景技术】

卫星通信系统分为两大类，一是静态通信系统，主要应用于卫星数字电视的接收。二是移动卫星通信系统，应用于车辆、船舶、飞机等不断运动的天线载体与卫星之间的通信。前者主要应用于有线数字电视信号无法覆盖地区，或作为卫星电视信号发射主站。在这些应用当中，由于天线一直处于静止状态，只需要在天线安装时调整一次天线姿态以及极化角。而后者由于天线载体一直处于不断的运动中，天线姿态不断的进行改变，在这些情况之下，为了保证接收站与卫星之间的不间断的稳定通信，自动极化跟踪技术显得尤为关键。

自动极化跟踪技术是一种根据卫星和天线载体的经纬度以及天线载体运动姿态变化，由天线伺服系统计算出实时的天线动态极化角，用以调整天线所接收到的主极化信号以及正交干扰信号幅度大小以及相位，来实现天线接收通道信号的极化方向与卫星转发器的下行信号的极化方向匹配，无衰减的恢复原始卫星信号，并抑制正交极化干扰信号。

在目前的移动卫星通信系统中，比较常见的自动极化跟踪技术的一种方案是无源极化控制技术，参考附图1，通过姿态传感装置获得天线载体实时的姿态信息并发送到天线控制器，天线控制器根据该信息以及当前卫星、天线的经纬度，计算出天线的动态极化角，并换算出天线的极化角补偿值，以此来驱动极化电极使馈源转动一定角度，从而保持天线的极化角对准卫星转发器下行信号的极化角。但是无源极化控制技术通过极化电极转动馈源波导腔内的极化探针进行极化角匹配，要求极化电机与极化探针安装位置必须同心，这对工艺要求比较高。同时无源极化控制必将带来一定的信号损耗，在接收系统的前端，将会极大地损害G/T值，(G/T：增益与噪声温度比值)。除此之外，对正交极化干扰信号的抑制度不高，这会进一步降低接收系统的整体性能。

目前较常采用的第二种技术方案是收发一体式变极化控制方案，请参考附图2，该技术方案将接收以及发射整合在一起，根据计算得出的极化角，相应调整变极化单元相关参数，进而调整接收与发射信号波束以对准卫星。但该方案也存在缺陷，缺陷就是该方案对正交极化信号的抑制度不够，将会导致接收站与卫星之间的通信受到正交极化信号的干扰。由于收发一体化，导致一部分发射信号串扰进入信号接收系统，将会恶化接收信号的载噪比。

【发明内容】

本发明针对以上情况提出了一种简单易用、集成度高，并具有补偿天线板的正交极化隔离度的电子自动极化跟踪技术，出了能够有效实时地跟踪卫星下行信号的极化轴外，同时还能够抑制正交极化干扰信号，抑制发射通道信号，增加通信的可靠性。

本发明所涉及的电子调谐自动极化跟踪系统，包括微波电路板和数字控制电路板，该微波电路板包括依次信道连接的低噪声放大电路单元、极化控制单元、功率合成单元和微带滤波器，将微波电路板中所包括的所有单元以及数字控制电路板集成在两块印刷电路板上，并通过插针依次连接，数字控制电路板通过串行外设接口接收天线控制器的动态极化角，并控制微波电路板。

该微波电路板上的低噪声放大电路单元包括水平极化通道放大电路以及垂直极化通道放大电路，水平极化通道和垂直极化通道每个通道都设计了四级场效应管低噪声放大器、波导转微带电路以及两级微带滤波电路。

该水平极化通道和垂直极化通道中的四级场效应管低噪声放大器分别是第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第四低噪声放大器、第五低噪声放大器、第六低噪声放大器、第七低噪声放大器和第八低噪声放大器；而水平极化通道和垂直极化通道中的两级微带滤波电路分别是第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器和第四滤波器；水平极化通道上依次连接有波导转微带电路、第一低噪声放大器、第一滤波器、第二低噪声放大器、第二滤波器、第三低噪声放大器和第四低噪声放大器；而垂直极化通道上则是依次连接波导转微带电路、第五低噪声放大器、第三滤波器、第六低噪声放大器、第四滤波器、第七低噪声放大器和第八低噪声放大器；微波电路板上的波导转微带结构主要是由波导腔体以及一段微带电路构成。

极化控制单元包括模拟移相器以及数字衰减器，二者均采用了单片微波集成电路方案。

水平极化通道连接第一极化控制单元，垂直通道连接第二极化控制单元，而第一和第二极化控制单元连接到功率合成单元。

该功率合成单元经过一个微带滤波器再次滤波后，连接到一个射频同轴连接器接口。

数字控制电路板主要包括：微处理器MCU、温度补偿电路、反向电压变换电路、移相控制电路、衰减控制电路，其中微处理器MCU的第一输入端通过SPI串行数据通讯协议接口接收天线伺服控制器的实时极化角，第二输入端接收通过计算机写入的天线板的交叉极化隔离度，第三输入端同时连接温度补偿电路的温度补偿值；其输出端分别连接到移项控制电路和衰减控制电路，其中与衰减控制电路之间连接反向电压变换电路，最终输出到微波电路板。

该微处理器MCU能够通过SPI串行数据通讯协议接口接收来自天线伺服控制器的实时极化角，以及根据天线板的交叉极化隔离度来进行计算产生一个新的极化角。

该数字控制板上的微处理器MCU能够根据新的极化角，分别输出脉宽调制信号控制微波电路板上模拟移相器，以及通过通用输入输出端口控制反向电压变换电路产生不同电压，以此控制微波电路板上的数字衰减器。

该数字板控制板上的微处理器MCU通过第三输入端连接温度补偿电路，根据温度传感器获得的实时电路板上的温度输出相应的温度补偿值至微处理器MCU。

该数字控制板上的反向电压变换电路主要是产生用于数字衰减器使用的负电压。

该数字控制板上的移相控制电路主要是产生脉宽调制信号控制微波电路板的模拟移相器。

电子调谐自动极化跟踪系统的运作方式。

第一步，天线伺服控制器将根据天线姿态计算出的极化角θ₁发送到数字控制板单元。

第二步，数字控制电路板根据测试所得天线板的交叉极化隔离度为XPD，通过公式θ₂＝arctan(10^XPD/20)，计算出为了补偿天线板交叉极化隔离度应该偏移的极化角偏移量。

第三步，根据上面两个变量计算出实际极化角为θ＝θ₁-θ₂。

第四步，根据计算所得θ，查询事先已经写入数字控制板中的存储器中的相位以及衰减控制表，获得水平极化以及垂直极化的相位偏移量以及衰减量，并控制微波电路板上的模拟移相器以及数字衰减器进行相应的动作。

第五步，水平和垂直通道的模拟移相器以及数字衰减器分别对两路信号进行处理过后，再由功率合成单元进行功率合成。

【附图说明】

图1是现有技术之一无源极化控制示意图；

图2是现有技术之二收发一体式变极化系统示意图；

图3是本发明电子调谐自动极化跟踪系统的微波电路板原理图；

图4是本发明电子调谐自动极化跟踪系统的数字控制电路板的原理图；

图5是天线板正交极化隔离度与极化角关系图；

图6是卫星信号极化失配示意图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明附图和具体实施方式对本发明电子调谐自动极化跟踪系统进行进一步的详细说明。

本发明的目的在于克服前述无源极化控制以及收发一体式极化控制技术的不足，提供一种适用于移动卫星信号系统，具有实时跟踪卫星极化轴，抑制天线发射通道信号干扰，并具有补偿天线板本身交叉极化隔离度低带来影响的电子调谐自动极化跟踪系统。该系统能够保障移动载体与卫星之间的通信效果，增强通信系统抗干扰能力，保证通信的连续性。

本发明所涉及的电子调谐自动极化跟踪系统，包括微波电路板和数字控制电路板，该微波电路板包括依次信道连接的低噪声放大电路单元、极化控制单元、功率合成单元和微带滤波器，将微波电路板中所包括的所有单元以及数字控制电路板集成在两块印刷电路板上，并通过插针依次连接，数字控制电路板通过串行外设接口接收天线控制器的动态极化角，并控制微波电路板。

该微波电路板上的低噪声放大电路单元包括水平极化通道放大电路以及垂直极化通道放大电路，水平极化通道和垂直极化通道每个通道都设计了四级场效应管低噪声放大器以及两级微带滤波电路。

该水平极化通道和垂直极化通道中的四级场效应管低噪声放大器分别是第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第四低噪声放大器、第五低噪声放大器、第六低噪声放大器、第七低噪声放大器和第八低噪声放大器；而水平极化通道和垂直极化通道中的两级微带滤波电路分别是第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器和第四滤波器；水平极化通道上依次连接有第一低噪声放大器、第一滤波器、第二低噪声放大器、第二滤波器、第三低噪声放大器和第四低噪声放大器；而垂直极化通道上则是依次连接第五低噪声放大器、第三滤波器、第六低噪声放大器、第四滤波器、第七低噪声放大器和第八低噪声放大器。

极化控制单元包括模拟移相器以及数字衰减器，二者均采用了单片微波集成电路方案。

水平极化通道连接第一极化控制单元，垂直通道连接第二极化控制单元，而第一和第二极化控制单元连接到功率合成单元。

该功率合成单元经过一个微带滤波器再次滤波后，连接到一个射频同轴连接器接口。

数字控制电路板主要包括：微处理器MCU、温度补偿电路、反向电压变换电路、移相控制电路、衰减控制电路，其中微处理器MCU的第一输入端通过SPI串行数据通信协议接口接收天线伺服控制器的实时极化角，第二输入端接收通过计算机写入的天线板的交叉极化隔离度，第三输入端同时连接温度补偿电路的温度补偿值；其输出端分别连接到移项控制电路和衰减控制电路，其中与衰减控制电路之间连接反向电压变换电路，最终输出到微波电路板。

该微处理器MCU能够通过SPI串行数据通讯协议接口接收来自天线伺服控制器的实时极化角，以及根据天线板的交叉极化隔离度来进行计算产生一个新的极化角。

该数字控制板上的微处理器MCU能够根据新的极化角，分别输出脉宽调制信号控制微波电路板上模拟移相器，以及通过通用输入输出端口控制反向电压变换电路产生不同电压，以此控制微波电路板上的数字衰减器。

该数字板控制板上的微处理器MCU通过第三输入端连接温度补偿电路，根据温度传感器获得的实时电路板上的温度输出相应的温度补偿值至微处理器MCU。

该数字控制板上的反向电压变换电路主要是产生用于数字衰减器使用的负电压。

该数字控制板上的移相控制电路主要是产生脉宽调制信号控制微波电路板的模拟移相器。

移动载体上的天线板接收到的水平极化信号以及垂直极化信号经过天线双工器后，分别进入水平极化通道以及垂直极化通道，首先经过第一低噪声放大器进行低噪放大，然后经过第一滤波器滤除发射通道信号，再经过第二低噪放大器，再经过第二滤波器滤除发射通道信号，再经过两级低噪声放大器放大后，进入由模拟移相器以及数字衰减器组成的极化控制单元。八个放大器电路以及四个滤波器构成了低噪声放大电路单元，放大器的直流偏置电压由数字控制板提供。

数字控制电路板根据计算得出的极化角分别对水平通道以及垂直通道的模拟移相器以及数字衰减器进行控制，然后经过一个功率合成器的功率合成单元后，主极化信号相加，而正交极化信号得到抵消，达到天线能够对准卫星下行信号极化角以及抑制正交极化信号的目的，最后经过一个微带滤波器再次滤除发射通道信号，最后输出已经完成极化匹配后的信号。

首先，将天线板的实测所得的正交极化隔离度转换成一个极化偏角。

正交极化隔离度的定义，即水平通道接收水平极化信号的幅度与接收垂直极化信号的幅度比值。

结合此定义，可以将此正交极化隔离度为XPD换算成天线板接收信号的一个极化偏角θ₂。

如图5所示，信号源发射水平极化信号时，由于天线正交极化隔离度的影响，水平通道并不能全部将此信号接收，只能接收到一部分的信号，为在水平轴上的投影分量而后信号源发射垂直极化信号，即将逆时针旋转90度得到此时同样会有一部分信号分量进入水平通道。那么根据上述正交极化隔离度的定义有：

       $\mathrm{XPD}=20\lg \left(\frac{\mathrm{mod}\left(\stackrel{\→}{E_2}\right)}{\mathrm{mod}\left(\stackrel{\→}{E_1}\right)}\right)=20\lg \left({\tan q}_2\right)$

那么，θ₂＝arctan(10^XPD/20)。

由于θ₂的存在，正交极化干扰信号除了因为天线动态极化角θ₁的不匹配，如果仅仅按照天线伺服控制器发射的动态极化角θ₁进行极化跟踪以及补偿，主极化信号将会有一定的损耗，而且正交极化信号无法完全抑制，仍会带来一定的干扰。所以，为了补偿天线板的正交极化隔离度，电子调谐自动极化跟踪技术引入θ₂并重新定义了天线的极化角，公式如下：

θ＝θ₁-θ₂

下面将结合图6，以动中通系统接收水平极化信号的自动极化跟踪为例，详细描述本发明实现极化跟踪以及正交极化信号的抑制原理。

在图6中，是主极化信号，是正交极化干扰信号，θ是天线的实际极化角，并满足θ＝θ₁-θ₂。(θ₁为天线伺服控制器发送的动态极化角)

当信号进入天线以后，由于极化不匹配因素，将会分解成正交两个信号分量，根据三角函数以及向量相加定理，有：

       $\stackrel{\→}{E_h}=\stackrel{\→}{E_h}\cos \mathrm{\θ}+\stackrel{\→}{E_h}\sin \mathrm{\θ}$

同理： $\stackrel{\→}{E_v}=\stackrel{\→}{E_v}\cos (\mathrm{\θ}+90)+\stackrel{\→}{E_v}\sin (\mathrm{\θ}+90)=-\stackrel{\→}{E_v}\sin \mathrm{\θ}+\stackrel{\→}{E_v}\cos \mathrm{\θ}$

按照信号处理要求，需要将主极化信号(即)无损耗的还原，并将正交极化信号(即)抑制。所以在电子调谐自动极化跟踪器中，设置水平通道的电压衰减值为L_h＝cosθ，垂直通道的电压衰减值为L_v＝sinθ。

当极化角0≤θ≤90°，根据以上条件，信号经过电子调谐自动极化跟踪器后，有以下两个方程表达式：

主极化信号传输方程为：

       $\stackrel{\→}{E_h}=\stackrel{\→}{E_h}\·L_h+\stackrel{\→}{E_h}\·L_V=\stackrel{\→}{E_h}\cos \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\θ}+\stackrel{\→}{E_h}\sin \mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\θ}=\stackrel{\→}{E_h}$

正交极化干扰信号传输方程为：

      

上面两个方程的物理意义表现为，输入信号经过电子调谐自动极化跟踪器后，能够完全无损耗的输出，而正交极化干扰信号则得到了有效的抑制。

同理，当极化角θ在其他角度时，只需要增加对模拟移相器进行相应的控制，同样可以达到预期效果。

结合以上原理，进一步阐述电子调谐自动极化跟踪器的实际运作方式。

第一步，天线伺服控制器将根据天线姿态计算出的极化角θ₁发送到数字控制板单元。

第二步，数字控制电路板根据测试所得天线板的交叉极化隔离度为XPD，通过公式θ₂＝arctan(10^XPD/20)，计算出为了补偿天线板交叉极化隔离度应该偏移的极化角偏移量。

第三步，根据上面两个变量计算出实际极化角为θ＝θ₁-θ₂。

第四步，根据计算所得θ，查询事先已经写入数字控制板中的存储器中的相位以及衰减控制表，获得水平极化以及垂直极化的相位偏移量以及衰减量，并控制微波电路板上的模拟移相器以及数字衰减器进行相应的动作。

第五步，水平和垂直通道的模拟移相器以及数字衰减器分别对两路信号进行处理过后，再由功率合成单元进行功率合成。从而，主极化信号得到放大并输出，而正交极化干扰信号则被抵消。

本发明所涉及的电子调谐自动极化跟踪系统能够实时调节动中通天线接收通道传输信号的极化方向，使之与卫星转发器的下行信号极化角匹配；由于极化角对天线板的交叉极化隔离度进行了补偿，所以不但天线的极化轴能够准确的正对着卫星的下行信号的极化方向，而且能够对卫星下行的正交极化干扰信号进行抑制；该系统具有多级滤波器结构能够有效的滤除发射通道信号，抑制其他频率的干扰，从而提高系统抗干扰能力；波导转微带电路以及结构设计，能够保证信号从天线板的波导输出端口全部直接馈入电子自动调谐极化控制器。这样的设计，能够缩小整个天线系统的体积，便于集成化，同时极大提高整机性能；前端低噪声放大器的设计，能够减低整个系统的噪声温度，极大提高天线系统的G/T值。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种电子调谐自动极化跟踪系统，其特征在于，包括微波电路板和数字控制电路板，该微波电路板包括依次信道连接的低噪声放大电路单元、极化控制单元、功率合成单元和微带滤波器，两路低噪声放大电路分别通过两路极化控制电路汇总至功率合成单元；将微波电路板中所包括的所有单元以及数字控制电路板集成在两块印刷电路板上，并通过插针依次连接，数字控制电路板通过串行数据通讯协议接口接收天线伺服控制器的实时动态极化角，输出至微波电路板并控制微波电路板。

2.根据权利要求1所述电子调谐自动极化跟踪系统，其特征在于，该微波电路板上的低噪声放大电路单元包括水平极化通道放大电路以及垂直极化通道放大电路，水平极化通道和垂直极化通道每个通道都设计了四级场效应管低噪声放大器、波导转微带电路以及两级微带滤波电路。

3.根据权利要求2所述电子调谐自动极化跟踪系统，其特征在于，该水平极化通道和垂直极化通道中的四级场效应管低噪声放大器分别是第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第四低噪声放大器、第五低噪声放大器、第六低噪声放大器、第七低噪声放大器和第八低噪声放大器；而水平极化通道和垂直极化通道中的两级微带滤波电路分别是第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器和第四滤波器；水平极化通道上依次连接有波导转微带电路、第一低噪声放大器、第一滤波器、第二低噪声放大器、第二滤波器、第三低噪声放大器和第四低噪声放大器；而垂直极化通道上则是依次连接波导转微带电路、第五低噪声放大器、第三滤波器、第六低噪声放大器、第四滤波器、第七低噪声放大器和第八低噪声放大器；微波电路板上的波导转微带结构主要是由波导腔体以及一段微带电路构成。

4.根据权利要求3所述电子调谐自动极化跟踪系统，其特征在于，极化控制单元包括模拟移相器以及数字衰减器，二者均采用了单片微波集成电路方案。

5.根据权利要求4所述电子调谐自动极化跟踪系统，其特征在于，水平极化通道连接第一极化控制单元，垂直通道连接第二极化控制单元，而第一和第二极化控制单元连接到功率合成单元。

6.根据权利要求1所述电子调谐自动极化跟踪系统，其特征在于，该功率合成单元经过一个微带滤波器再次滤波后，连接到一个射频同轴连接器接口。

7.根据权利要求1所述电子调谐自动极化跟踪系统，其特征在于，数字控制电路板主要包括：微处理器MCU、温度补偿电路、反向电压变换电路、移相控制电路、衰减控制电路，其中微处理器MCU的第一输入端通过SPI串行数据通讯协议接口接收天线伺服控制器的实时极化角，第二输入端接收天线板的交叉极化隔离度，第三输入端同时连接温度补偿电路的温度补偿值；其输出端分别连接到移项控制电路和衰减控制电路，其中与衰减控制电路之间连接反向电压变换电路，最终输出到微波电路板。

8.根据权利要求7所述电子调谐自动极化跟踪系统，其特征在于，该微处理器MCU能够通过SPI串行数据通信协议接口接收来自天线伺服控制器的实时极化角，以及根据天线板的交叉极化隔离度来进行计算产生一个新的极化角；该数字控制板上的微处理器MCU能够根据新的极化角，分别输出脉宽调制信号控制微波电路板上模拟移相器，以及通过通用输入输出端口控制反向电压变换电路产生不同电压，以此控制微波电路板上的数字衰减器；该数字板控制板上的微处理器MCU通过第三输入端连接温度补偿电路，根据温度传感器获得的实时电路板上的温度输出相应的温度补偿值至微处理器MCU。

9.一种电子调谐自动极化跟踪系统的运作方式：

第一步，天线伺服控制器将根据天线姿态计算出的极化角θ₁发送到数字控制板单元；

第二步，数字控制电路板根据测试所得天线板的交叉极化隔离度为XPD，通过公式θ₂＝arctan(10^XPD/20)，计算出为了补偿天线板交叉极化隔离度应该偏移的极化角偏移量；

第三步，根据上面两个变量计算出实际极化角为θ＝θ₁-θ₂；

第四步，根据计算所得θ，查询事先已经写入数字控制板中的存储器中的相位以及衰减控制表，获得水平极化以及垂直极化的相位偏移量以及衰减量，并控制微波电路板上的模拟移相器以及数字衰减器进行相应的动作；

第五步，水平和垂直通道的模拟移相器以及数字衰减器分别对两路信号进行处理过后，再由功率合成单元进行功率合成。