基于膜片式圆极化器的电调极化跟踪器及方法

1.本发明涉及一种极化跟踪器，尤其涉及一种基于膜片式圆极化器的电调极化跟踪器及方法。


背景技术：

2.极化跟踪器是一种在移动卫星通信中常见的器件，目前，在低轨卫星通信中ku频段主要采用线极化模式，在卫星移动的过程中线极化方向会不断变化，为了减小由于卫星移动而导致的极化失配的影响，需要极化跟踪器实时调节地面站接收和发射的极化方向。
3.目前，已公开报道的有关实现极化跟踪器的方法不尽相同，但从实现方法上来看主要分为两种。第一种：机械调节极化跟踪器。该种极化跟踪器的原理是通过在正交模耦合器与输出端口之间加入极化旋转器，在不改变正交模耦合器正交输入的条件下，旋转极化旋转器则可以改变输出端口垂直极化与水平极化的极化方向(例如以下文献所报道的极化跟踪器：周雁翎,王小陆,汪伟,等.一种宽带高性能可变极化跟踪器[j].微波学报,2016,32(4):51-54,77.专利：cn201521098646.4，一种极化跟踪器。专利：cn201510549806.0，一种新型极化跟踪器。专利：cn201921402259.3，一种简易极化跟踪器)。以上所报道的这些极化跟踪器都具有良好的性能，但是结构较为复杂，需要机械转动。第二种：电调极化跟踪器。通过加入3db耦合电桥以及移相器，控制电桥输入端两路信号的相位差，达到对合成线极化波方向的控制(例如以下文献所报道的极化跟踪器：吴瑞荣,邹永庆,汪伟.移动卫星通信终端天线极化跟踪研究[j].微波学报,2012,28(3):48-50,89.专利：cn104064872b，一种高精度低噪声ku频段有源极化跟踪器)。以上所报道的这些极化跟踪器都具有良好的性能。但如专利cn104064872b所述的极化跟踪器，只适合应用于接收机中。在该种结构中，3db电桥输出的两路信号大多数情况下是不等幅的。如果用在发射机中会出现其中一个功率放大器饱和，而另一个还在小信号工作状态，从而造成直流效率降低同时会增加控制难度的问题；此外，若该结构中的低噪放出现一路损坏的情况，则可能导致接收不到信号的情况，可靠性有待提高。


技术实现要素：

[0004]
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于膜片式圆极化器的电调极化跟踪器，不需要机械转动；本发明不仅可以用于接收机中，还可以用在发射机中，只需改变放大器的方向即可。由于在两条信号通路中信号幅度始终相同，因此两个放大器工作状态也始终相同，直流效率高，有空间功率合成的效果。如果两条信号通路中的一路出现损坏，系统还可以工作，只是系统载噪比会下降6db，可靠性较高。此外，通过可控移相器和可控衰减器可以补偿圆极化器引入的幅度不平衡以及相位不平衡对性能的影响，实现高水平的电调极化跟踪。
[0005]
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006]
一种基于膜片式圆极化器的电调极化跟踪器，包括圆极化器结构、功分器、第一可
控移相器、第二可控移相器、第一可控衰减器、第二可控衰减器、第一放大器、第二放大器；其中圆极化器采用具有实现线极化波到圆极化波转换功能的膜片式圆极化器结构；
[0007]
所述第一可控移相器、第一可控衰减器和第一放大器级联在圆极化器的第一条通路中；
[0008]
所述第二可控移相器、第二可控衰减器和第二放大器级联在圆极化器的第二条通路中。
[0009]
优选的：两条信号通路中的可控移相器的型号相同。
[0010]
优选的：两条信号通路中的可控衰减器的型号相同。
[0011]
优选的：两条信号通路中的放大器的型号相同。
[0012]
基于上述电调极化跟踪器的电调极化跟踪方法，通过可控移相器和可控衰减器进行补偿由膜片式圆极化器引入的幅度不平衡和相位不平衡，以及补偿由于膜片式圆极化器不理想导致的极化跟踪误差。
[0013]
一种发射机，包括所述的一种基于膜片式圆极化器的电调极化跟踪器。
[0014]
一种接收机，包括所述的一种基于膜片式圆极化器的电调极化跟踪器。
[0015]
本发明采用上述技术方案，具有以下有益的技术效果：
[0016]
本发明提供的基于膜片式圆极化器结构的电调极化跟踪器，结构简单，不需要物理旋转结构；同时通过可控移相器以及可控衰减器分别控制两路信号的相位不平衡以及幅度不平衡，可以实现高精度的极化跟踪；同时在两条通路中信号大小始终相同，放大器工作状态相同。本发明极化跟踪器不仅可用于接收机中，还可以用在发射机中。并且用在发射机中，放大器直流效率高，有空间功率合成的效果；同时由于单路输出为圆极化波，在两条通路损坏一路的情况下，系统还可以工作，只是系统载噪比会下降6db，可靠性较高。此外，在工程应用中圆极化器不是理想器件，不可能产生标准的圆极化波。一般的圆极化器都只是产生一个轴比很小的椭圆极化波，利用可控移相器和可控衰减器可以补偿圆极化的非理想特性，可减小所产生的椭圆极化波的轴比，使之更接近于圆极化波。通过可控移相器和可控衰减器可补偿由于膜片式圆极化器不理想导致的极化跟踪误差，可实现高性能极化跟踪，满足低轨卫星通信系统中对交叉极化的应用需求。
附图说明
[0017]
图1为本发明的原理框图；
[0018]
图2为本发明采用的膜片式圆极化器结构示意图；
[0019]
图3为本发明采用的膜片式圆极化器在ku波段的仿真结果图。横坐标表示工作频率，纵坐标表示输出端口13的两个线极化分量的s参数即s(3:1,1)，s(3:2,1)以及相位不平衡。
[0020]
图4为采用本发明方案设计的ku频段极化跟踪器对膜片式圆极化器的误差进行补偿后，两个信号通路幅度不平衡和相位不平衡对交叉极化分辨率(xpd)影响曲线。其中，膜片式圆极化器幅度不平衡和相位不平衡分别为0.2db和2
°
。横坐标表示补偿相位误差，纵坐标表示输出端口11和12中rhcp与lhcp合成极化波的xpd，
△
p为两通道的幅度不平衡度。
具体实施方式
[0021]
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
[0022]
以应用于ku频段发射机中的极化跟踪器为例，对本发明的工作方式进行说明。
[0023]
如图1所示为一种ku频段的极化跟踪器，包括功分器1、可控移相器2和3、可控衰减器4和5、放大器6和7、圆极化器8、圆极化器的输入端口9和10、圆极化器的输出端口11和12；其中圆极化器输出端口11和12其实为膜片圆极化器的公共端口13中传输中的两个正交圆极化模式。
[0024]
优选的，所述可控移相器2和3采用相同的数控移相器。
[0025]
优选的，所述可控衰减器4和5采用相同的数控衰减器。
[0026]
优选的，所述放大器6和7采用相同的ku波段功率放大器。
[0027]
由经典电磁理论可知，任意线极化波可以分解为两个幅度相等、旋向相反的圆极化波。反之，通过产生两个幅度相等、旋向相反的圆极化波可以合成为一个线极化波。通过功分器1将发射信号分成两路，分别经过可控移相器2、可控衰减器4以及放大器6和可控移相器3、可控衰减器5以及放大器7，通过可控移相器2和3以及可控衰减器4和5共同控制圆极化器输入端口9和10之间的信号相位差以及幅度差。两路信号在经过放大器6和7的放大后，在圆极化器8的输入端口9和10输入一对可控幅度差以及可控相位差的信号，并分别在圆极化器的输出端口11和12产生一对具有一定幅度差和相位差的右旋和左旋圆极化波，在该物理端口由此两个正交圆极化波产生一个极化方向受控制的线极化波。
[0028]
对于膜片式圆极化器，在输出端口11和12中产生的圆极化波可以分别表示为：
[0029][0030][0031]
其中，ω为角频率，为初始相位，为控制角相位，θ1为控制角相位的误差，θ2为圆极化器在实现线极化转圆极化时可能存在的相对于90
°
相位误差，e
xm1
和e
xm2
分别表示右旋圆极化与左旋圆极化在x轴分量的幅度，e
ym1
和e
ym2
分别表示右旋圆极化与左旋圆极化在y轴分量的幅度。
[0032]
当不存在误差，即θ1＝0，θ2＝0且e
xm1
＝e
ym1
＝e
xm2
＝e
ym2
时，在输出端口合成的线极化波方向与x轴的夹角θ可以表示为：
[0033][0034]
在圆极化器仅存在幅度不平衡即θ1＝0，θ2＝0，e
xm1
≠e
ym1
且e
xm2
≠e
ym2
时，将导致合成线极化波方向发生偏转，通过控制可控移相器2或可控移相器3的移相量改变两个圆极化波之间的相位差，可以补偿由此引起的极化失配；在圆极化器仅存在相位不平衡即θ1＝0，θ2≠0
°
，e
xm1
＝e
ym1
＝e
xm2
＝e
ym2
时，将导致合成线极化波转变为椭圆极化波，通过控制可控衰减
器4或可控衰减器5可改变两个圆极化波之间的幅度差，可以补偿由此引起的极化失配；在圆极化器同时存在幅度以及相位不平衡时，结合以上方法，可以通过可控移相器2和可控衰减器4或可控移相器3和可控衰减器5的综合使用补偿由此导致的极化失配。
[0035]
以膜片式圆极化器存在幅度不平衡0.2db，相位误差2
°
时为例，当合成线极化方向与x轴夹角为45
°
时xpd最差，在此偏转角度下，对两路输入幅度补偿0.3db，相位补偿1.3
°
，可实现性能良好的线极化波。在实际工程应用中，可控移相器和可控衰减器可能都存在误差，如图4给出了在前述圆极化器引入的不平衡被补偿后，由两个信号通路引入的幅度和相位不平衡度与合成线极化波的xpd曲线。由图3和图4可知，可控移相器误差控制在
±3°
以内，可控衰减器衰减误差控制在
±
0.2db以内，该极化跟踪器在10.5-13ghz的带宽内可以实现xpd大于30db线极化跟踪性能。
[0036]
由于功率放大器6和7基本处于相同的工作状态，即输出功率始终基本相同。极化跟踪器输出端的功率为这两个放大器输出功率之和，具有功率合成的效果。此外，假设功率放大器6或者7出现损坏，则输出功率降低了3db，输出信号为圆极化波。这会导致系统中的3db的极化失配损失，从而使系统载噪比会下降6db，但整个系统仍然能工作，可靠性较高。
[0037]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。