江西广播电视 卫星地球站 叶修怡
1、引子
卫星电视广播从模拟到数字，从C波段到Ku波段，从传输到直播发展非常迅速，卫星技术特别是卫星接收技术为越来越多的业内外人士所熟悉和掌握。卫星电视的极化问题就是一个典型的例子，人们从不太清楚到逐渐认识和掌握也经历了一个过程。我国卫星电视发展的早期，如八十年代末自行研制的东二甲卫星，转发器数量少，只有一种极化方式；九十年代初我国租用的亚洲卫星1号虽有两种极化方式，但其覆盖范围分为南北波束，中国属于北波束区，实际上只有一种极化方式；93年7月从西经120 °漂至东经115.5°的“中星五号”用于电视广播的也只有一种极化方式；且这三种均为下行水平极化。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，既使极化匹配调整得不够好，也只是表现为信号偏弱而已；双极化方式，但反极化用于通信时（例如中星五号），由于通信信号大大低于广播电视信号，极化匹配不好，卫星电视接收也仅表现为信号偏弱，信噪比偏低Ｎ愣晕佬峭ㄐ诺拇罅啃枨螅浞掷每占淦灯鬃试矗衷诘奈佬牵ㄈ缪翘?A,亚洲2号等）几乎都工作于双极化方式，此时极化隔离度和极化匹配的优劣直接影响到卫星电视的质量，必须引起高度重视。
2、极化与极化角、极化角隔离度
2.1 极化与极化角
电磁波的极化是指瞬间电场分量随时间变化的方式。如电磁波的电场矢量投影在与传播方向垂直平面上的轨道为一直线，则是线极化；如投影轨迹为园或椭园，则是圆或椭圆极化。国内或区域卫星一般是线极化，线极化分为水平极化（以E‖表示）和垂直极化（以E⊥ 表示）
卫星辐射极化波的极化与地面接收天线的极化定义基准不同。卫星辐射波的极化定义以卫星轴系为基准，卫星运动的轨迹近似为园，如果电场矢量与卫星所在点的园切线方向一致，则称为水平极化波，如图1所示；如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。
地面接收天线极化的定义以地平面为基准，天线馈源（或极化器）矩形波导口窄边平行地平面，则电场矢量平行于地平面，定义为水平极化；反之馈源矩形波导口窄边垂直于地平面定义为垂直极化，如图2所示。
从以上两种不同的极化定义可以得出这样的结论，地面接收天线与卫星辐射电磁波的极化匹配必须满足一定的条件。假定卫星波束的覆盖中心与卫星同经度，如图3所示，显然与卫星同经度的接收站天线能很好地与卫星辐射电磁波匹配，而与卫星经度不同的接收站天线的极化必须旋转一个角度（即极化角）才能与卫星电波相匹配。
对于简单园波束覆盖而言，地面接收天线的极化角P可用下式计算：
P = arctg[sin(ψs-ψg)/tgθ] ------------------------------- (1)
其中：ψs为卫星经度，ψg接收站经度，θ为接收站纬度。
从公式可以看出极化角是卫星与接收站经度差及接收站纬度的函数。相同经度的接收站，纬度越高，p绝对值越小；相同纬度的地球站，经度差越大，p绝对越值大，这从直观上也容易理解。对于复杂的成形波束来说，以上式计算存在误差，但可作为接收站极化调整的理论依据。
如果卫星波束中心与卫星经度不同甚至相差较大，情况又如何？实际上位于卫星波束中心的接收站天线极化能与卫星辐射电磁波较理想匹配，因为随着波束中心偏离与卫星同经度地区，卫星波束的极化也作了相应改变，也就是说卫星辐射波的极化已不是理想的水平（或垂直）极化，而是变化了一个角度。那么波束中心以外的接收天线的极化角又如何求呢？只需将公式（1）中的卫星经度ψs换成波束中心的经度ψc。当然计算结果也只是一个理论值，实际的极化角由具体调整来确定。
P = arctg [sin (ψc -ψg ) / tgθ] -------------------------------- (2)
ψc：波束中心的经度，ψg、θ：接收站的经纬度。
一般实际的极化角在公式⑴和⑵两个计算结果之间,更接近公式（1）的计算结果。
2.2 极化隔离度
双极化频率复用借助于双极化技术以极化分离的方式在两个信道用同一个频率而互不干扰地传送两组独立的信息，其传输质量取决于相互之间的极化隔离度。对卫星电视系统而言，正交极化隔离度取决于二段：从卫星地球站发射到卫星接收、从卫星发射到地面接收；三个环节：发射、传输媒介和接收。为简化分析，假定上行线路和卫星发射均为理想正交极化，只讨论下行空间与接收。
如图4所示，卫星A发出E1、E2两个正交线极化波，经过空间传输到达接收点B,产生了主极化分量E11、E22和正交极化分量E12、E21。
正交极化隔离度XPI定义如下：
XPI = 20 lg ( E11 / E21 ) 或 XPI = 20 lg ( E22 /E21 )dB
正交极化鉴别率XPD定义如下：
XPD = 20 lg ( E11 / E21 )或XPD = 20 lg ( E22 /E12 )dB
XPI在单极化和双极化系统中均存在，XPD只有双极化系统存在。当E1=E2,且去极化效应对称时，则XPI=XPD。
卫星电视系统产生极化干扰的主要原因有：
ａ. 卫星地球站发射和卫星接收与发射本身极化不纯；
ｂ.空间的去极化效应；
ｃ.接收站天线极化隔离度不佳；
ｄ.接收站天线极化匹配不良。
卫星地球站上行系统和卫星的天馈系统设计合理，制造精良，调试细致，极化隔离度高，其影响可忽略。空间的去极化效应主要有电离层中的法拉弟旋转效应，大气中的云层、雨滴，这种影响往往时间较短、强度较小。接收天线的极化隔离度取决于反射面和馈源的极化特性以及装配水平，用户没有太多的提高余地，只有选购高性能产品来满足要求。接收天线极化匹配不良，可通过精心调整达到最佳，这正是下面要讨论的重点。
3、极化调整与测量
3.1 极化干扰分析
单极化系统，极化不匹配会产生极化损耗使接收信号降低。双极化系统，极化不匹配不仅产生极化损耗，降低接收信号；还会产生同频正交极化干扰，增加噪声电平，使接收信号载噪比大大降低，严重时有明显干扰，甚至无法收看。下面来定量分析反极化干扰 ，以亚洲卫星二号为例，见图5所示。
3B转发器有5个SCPC数字电视载波，输出功率回退3dB，下行水平极化；3A转发器只有一个MCPC（香港STAR TV）数字电视载波，无输出功率回退，下行垂直极化。我们以EIRP⊥、ELRP‖ 分别表示卫星垂直极化、水平极化的全向等效辐射功率，E⊥、E‖ 分别表示地面接收的垂直极化、水平极化卫星信号的电场强度（或电平）。则可得到下式：
EIRP⊥= EIRP‖+ 3dB，所以E⊥≈1.41E‖。
假定用一单极化接收天线，准备接收水平极化的“江西卫视”，而馈源未调整，极化匹配处于标准的水平极化状态，接收地点是南昌，根据计算极化角P=-28°。从图6的反极化干扰分析中得知，卫星水平极化波耦合到馈源水平极化端口的主极化分量为E‖cosp，卫星垂直极化波偶合到馈源水平极化端口的反极化分量为E⊥cos(90-p)。忽略所有其它噪声的干扰，则水平极化的载噪比是：
(C/N) = 20lg｜(E‖cosP) / [E⊥cos（90-P）]｜
= 20lg｜E‖cos(-28) / [1.41E‖cos（90+28）]｜
此数值明显低于数字卫星接收机的门限，也就是说上述状态下根本收不到“江西卫视”节目。“江西卫视”于97年元旦开播，6月25日突然收到不少地方来电话，反映“江西卫视”节目收视不好，画面经常出现马赛克现象，有的地方完全收不到。我站3米天线的信号强度由83降为40，接收机是PHILIPS的SMATV IRD3590/11型，但12米天线信号没任何影响。经分析认为是极化干扰所致，而12米天线由于极化匹配调整精确，不受任何影响。后来打电话给亚洲卫星公司，得到答复：香港STAR TV租用的3A转发器投入使用，这证实了我们的判断。经我站的指导，有问题的台、站均恢复了正常，可见接收站天线极化匹配的调整非常重要。
3.2 极化角的调整
调整极化角之前,先计算理论值,其值有三种情况：P＞0，P=0, P＜0，对应的极化角调整方向见图7，图中只列出了水平极化的状况，垂直极化的调整方向与此相同。注意，此图是逆着电磁波的入射方向得到的结果，即前馈天线是站在天线前面，从矩形波导口向馈源看过去，后馈天线是站在天线后面，也从波导口向馈源看过去。P=0时，接收站与卫星同经度，其极化为理想的水平（或垂直）极化；P＞0，此时接收天线的方位角是南偏东，前馈天线馈源（或极化器）顺时针旋转，后馈天线逆时针旋转；P＜0，此时接收天线的方位角是南偏西，前馈天线馈源逆时针旋转，后馈天线顺时针旋转。
在实际的极化角调整中，可分二步走：
ａ.粗调：先按计算所得的俯仰角、方位角和极化角调整天线指向及馈源旋转角度，使俯仰角、方位角最佳并锁定天线指向。
ｂ.细调：用频谱仪分析仪、AGC电压或信号强度指示等方法精确调整。
3.2.1 频谱仪调整法
无论是接收模拟卫视信号还是数字卫视信号，均可用频谱仪调整极化角，此法精度高，但频谱仪价格昂贵，只适合有条件的台站。频谱仪调整极化角均利用星上信标信号，它分为谷值法和峰值法。谷值法精度更高，因为谷值点较为尖锐，但这只对大中型天线有效；如果是小天线，信标信号没有足够的动态范围，宜用峰值法。
调整之前应知道卫星信标,假定信标均为水平极化,如亚太1A信标信号为水平极化的4198.125MHZ和4199.375MHZ，亚洲2号信标为水平极化的4197.5MHZ和4199.5MHZ。谷值法和峰值法的设备、仪器连接见图8。谷值法调整步骤如下：⑴将LNB连到双极化馈源垂直极化波导口A，频谱仪上可以看到耦合进来的水平信标信号。⑵将馈源顺时针（或逆时针）旋转一小角度(3-5°)，如信标信号减小，继续顺（或逆）时针转动；如信标信号增大，则逆（或顺）时针转动。由于谷值点较尖锐，转动要慢。⑶反复旋转馈源，找到谷值点后即信标信号最小点，再锁定馈源，极化匹配就算调整完毕。
如果将LNB连接到水平极化口B，慢慢旋转馈源找到水平信标信号的峰值点，再锁定馈源，即为峰值法。谷值法和峰值法的调整结果均为A口接收垂直极化信号，B口接收水平极化信号。
3.2.2 AGC电压调整法
AGC（自动增益控制）电压调整法是利用卫星接收机输出的AGC电压来调整接收天线的极化匹配。该法无需昂贵仪器，只要带有AGC电压输出的卫星接收机和万用表即可，适合普通用户。AGC电压调整法也是一种峰值法，与频谱仪调整法相比精度较低，其设备、仪器连接见图9。
调整步骤如下：⑴将LNB接到有模拟卫视信号的垂直极化端口A（或水平极化端口），并将接收机设置相应的频道和参数，使之能收到电视信号，并读出对应的AGC电压D。⑵将接收机调到无电视的频道，如AGC电压低于D，表明AGC电压随信号强度增大而升高；反之，表明AGC电压随信号增强而降低。假定使用的卫星接收机（如东芝C4）具有前者的特性。⑶将接收机调回有节目的频道，调整馈源找到AGC电压的最大点M。⑷为确保极化匹配最佳，可用峰值平均法。将馈源顺（或逆）时针慢慢旋转，使AGC电压比最大值M下降某一数值（如0.6 V），将此时馈源的相对位置作记号1。⑸将馈源逆（或顺）时针慢慢旋转，使AGC电压跨过最大点M后又下降同一数值（0.6V），此时馈源相对位置作记号2。⑹将馈源转到记号1和记号2的中间，此即为极化最佳匹配位置，锁定馈源，极化调整即告结束。
极化调整好以后，图像清淅、稳定、无干扰，声音悦耳、无噪声，某一端口只能接收某种极化的节目。极化匹配不好的系统最常见现象是：图像噪波多，出现大面积色块画面时更明显，有不稳定的短白线干扰，或两种不同极化的节目在一个端口上均能收到。AGC电压调整法一般用在模拟卫星电视的场合。
3.2.3 信号强度调整法
当接收数字卫星电视，在没有频谱仪时，如何调整极化角呢？此时AGC电压调整法受到限制，因为数字卫星接收机绝大多数没有AGC电压输出端口。如果播出数字卫星电视的卫星上也有模拟卫视节目，同时手中又有带AGC电压输出的模拟接收机，可利用AGC电压调整法调整极化匹配。
信号强度调整法设备连接见图10，这种方法无需任何仪器，适合带信号强度指示的数字卫星接收机的所有用户。信号强度调整法也属于峰值法。其步骤如下：
⑴根据需接收的数字卫视信号的极化方式，将LNB连接到馈源垂直（或水平）极化波导口A（或B）。
⑵按接收节目的参数设置接收机，并使其处于显示信号强度状态，此时监视器上有一定的信号强度指示。指局狄话阌辛街址绞剑篸B值表示和百分数表示。
⑶缓慢旋转馈源，用峰值平均法（参见3.2.2 AGC电压调整法的调整步骤④⑤⑥）找到信号强度的最大点后锁定馈源，则极化匹配调整即告完成。
极化匹配调好后，接收同一转发器上的各载波显示的信号强度应一致或相近。如极化未调整或调整不良，则表现为处于各转发器中心位置上的数字卫视信号强度高，其它位置的节目信号强度明显偏低。这是因为转发器中心位置处于反极化的两个转发器保护间隔处，干扰信号较小（或没有），如图5所示。
3.3 极化隔离度测量
⑴设备仪器连接见图8
⑵用频谱仪法精确调整极化匹配。
⑶在水平极化端口B上测量星上水平极化信标（如亚洲2号的4199.5MHZ信标，频谱仪状态为分辨带宽30HZ，视频带宽30HZ，扫描宽度2KHZ，扫描时间6.67Sec)，读得信标电平为B。
⑷将LNB和频谱仪等所有设备连接到垂直极化端口A，保持频谱仪的设置不变，只改变其衰减器数值，这样可保证消除因设备、仪器和连线等带来的误差，此时测得同一信标电平为A。
⑸计算接收天线整体（天线反射面和馈源等）的正交极化隔离度XPI. XPI=B-A (dB)
质量好的天线XPI指标在30dB以上，可满足双极化接收要求，一些质量低劣或安装调整不当的天线，XPI指标甚至不到20dB，则难以达到好的接收效果。
4、结束语
本文对卫星电视的极化问题作了一些理论上的探讨，并给出了几种实用的极化匹配调整方法。希望能给业内外人士提供点滴帮助，更希望同行们指出本文之不足，以促进卫星广播电视事业的发展。
摘自 全国卫星广播网
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