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1、引子
衛(wèi)星電視廣播從模擬到數(shù)字，從C波段到Ku波段，從傳輸?shù)街辈グl(fā)展非常迅速，衛(wèi)星技術(shù)特別是衛(wèi)星接收技術(shù)為越來越多的業(yè)內(nèi)外人士所熟悉和掌握。衛(wèi)星電視的極化問題就是一個典型的例子，人們從不太清楚到逐漸認(rèn)識和掌握也經(jīng)歷了一個過程。我國衛(wèi)星電視發(fā)展的早期，如八十年代末自行研制的東二甲衛(wèi)星，轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量少，只有一種極化方式；九十年代初我國租用的亞洲衛(wèi)星1號雖有兩種極化方式，但其覆蓋范圍分為南北波束，中國屬于北波束區(qū)，實際上只有一種極化方式；93年7月從西經(jīng)120 °漂至東經(jīng)115.5°的“中星五號”用于電視廣播的也只有一種極化方式；且這三種均為下行水平極化。單極化方式，衛(wèi)星電視的極化問題不會對接收產(chǎn)生嚴(yán)重影響，既使極化匹配調(diào)整得不夠好，也只是表現(xiàn)為信號偏弱而已；雙極化方式，但反極化用于通信時（例如中星五號），由于通信信號大大低于廣播電視信號，極化匹配不好，衛(wèi)星電視接收也僅表現(xiàn)為信號偏弱，信噪比偏低Ｎ愣暈佬峭ㄐ諾拇罅啃棖�，充窋S每占淦燈鬃試矗衷詰奈佬牽ㄈ繆翹?A,亞洲2號等）幾乎都工作于雙極化方式，此時極化隔離度和極化匹配的優(yōu)劣直接影響到衛(wèi)星電視的質(zhì)量，必須引起高度重視。
2、極化與極化角、極化角隔離度
2.1 極化與極化角
電磁波的極化是指瞬間電場分量隨時間變化的方式。如電磁波的電場矢量投影在與傳播方向垂直平面上的軌道為一直線，則是線極化；如投影軌跡為園或橢園，則是圓或橢圓極化。國內(nèi)或區(qū)域衛(wèi)星一般是線極化，線極化分為水平極化（以E‖表示）和垂直極化（以E⊥ 表示）
衛(wèi)星輻射極化波的極化與地面接收天線的極化定義基準(zhǔn)不同。衛(wèi)星輻射波的極化定義以衛(wèi)星軸系為基準(zhǔn)，衛(wèi)星運動的軌跡近似為園，如果電場矢量與衛(wèi)星所在點的園切線方向一致，則稱為水平極化波，如圖1所示；如電場矢量方向與衛(wèi)星運動軌道平面（即赤道平面）垂直，稱為垂直極化波。
地面接收天線極化的定義以地平面為基準(zhǔn)，天線饋源（或極化器）矩形波導(dǎo)口窄邊平行地平面，則電場矢量平行于地平面，定義為水平極化；反之饋源矩形波導(dǎo)口窄邊垂直于地平面定義為垂直極化，如圖2所示。
從以上兩種不同的極化定義可以得出這樣的結(jié)論，地面接收天線與衛(wèi)星輻射電磁波的極化匹配必須滿足一定的條件。假定衛(wèi)星波束的覆蓋中心與衛(wèi)星同經(jīng)度，如圖3所示，顯然與衛(wèi)星同經(jīng)度的接收站天線能很好地與衛(wèi)星輻射電磁波匹配，而與衛(wèi)星經(jīng)度不同的接收站天線的極化必須旋轉(zhuǎn)一個角度（即極化角）才能與衛(wèi)星電波相匹配。
對于簡單園波束覆蓋而言，地面接收天線的極化角P可用下式計算：
P = arctg[sin(ψs-ψg)/tgθ] ------------------------------- (1)
其中：ψs為衛(wèi)星經(jīng)度，ψg接收站經(jīng)度，θ為接收站緯度。
從公式可以看出極化角是衛(wèi)星與接收站經(jīng)度差及接收站緯度的函數(shù)。相同經(jīng)度的接收站，緯度越高，p絕對值越��；相同緯度的地球站，經(jīng)度差越大，p絕對越值大，這從直觀上也容易理解。對于復(fù)雜的成形波束來說，以上式計算存在誤差，但可作為接收站極化調(diào)整的理論依據(jù)。
如果衛(wèi)星波束中心與衛(wèi)星經(jīng)度不同甚至相差較大，情況又如何？實際上位于衛(wèi)星波束中心的接收站天線極化能與衛(wèi)星輻射電磁波較理想匹配，因為隨著波束中心偏離與衛(wèi)星同經(jīng)度地區(qū)，衛(wèi)星波束的極化也作了相應(yīng)改變，也就是說衛(wèi)星輻射波的極化已不是理想的水平（或垂直）極化，而是變化了一個角度。那么波束中心以外的接收天線的極化角又如何求呢？只需將公式（1）中的衛(wèi)星經(jīng)度ψs換成波束中心的經(jīng)度ψc。當(dāng)然計算結(jié)果也只是一個理論值，實際的極化角由具體調(diào)整來確定。
P = arctg [sin (ψc -ψg ) / tgθ] -------------------------------- (2)
ψc：波束中心的經(jīng)度，ψg、θ：接收站的經(jīng)緯度。
一般實際的極化角在公式⑴和⑵兩個計算結(jié)果之間,更接近公式（1）的計算結(jié)果。
2.2 極化隔離度
雙極化頻率復(fù)用借助于雙極化技術(shù)以極化分離的方式在兩個信道用同一個頻率而互不干擾地傳送兩組獨立的信息，其傳輸質(zhì)量取決于相互之間的極化隔離度。對衛(wèi)星電視系統(tǒng)而言，正交極化隔離度取決于二段：從衛(wèi)星地球站發(fā)射到衛(wèi)星接收、從衛(wèi)星發(fā)射到地面接收；三個環(huán)節(jié)：發(fā)射、傳輸媒介和接收。為簡化分析，假定上行線路和衛(wèi)星發(fā)射均為理想正交極化，只討論下行空間與接收。
如圖4所示，衛(wèi)星A發(fā)出E1、E2兩個正交線極化波，經(jīng)過空間傳輸?shù)竭_(dá)接收點B,產(chǎn)生了主極化分量E11、E22和正交極化分量E12、E21。
正交極化隔離度XPI定義如下：
XPI = 20 lg ( E11 / E21 ) 或 XPI = 20 lg ( E22 /E21 )dB
正交極化鑒別率XPD定義如下：
XPD = 20 lg ( E11 / E21 )或XPD = 20 lg ( E22 /E12 )dB
XPI在單極化和雙極化系統(tǒng)中均存在，XPD只有雙極化系統(tǒng)存在。當(dāng)E1=E2,且去極化效應(yīng)對稱時，則XPI=XPD。
衛(wèi)星電視系統(tǒng)產(chǎn)生極化干擾的主要原因有：
ａ. 衛(wèi)星地球站發(fā)射和衛(wèi)星接收與發(fā)射本身極化不純；
ｂ.空間的去極化效應(yīng)；
ｃ.接收站天線極化隔離度不佳；
ｄ.接收站天線極化匹配不良。
衛(wèi)星地球站上行系統(tǒng)和衛(wèi)星的天饋系統(tǒng)設(shè)計合理，制造精良，調(diào)試細(xì)致，極化隔離度高，其影響可忽略�？臻g的去極化效應(yīng)主要有電離層中的法拉弟旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，大氣中的云層、雨滴，這種影響往往時間較短、強度較小。接收天線的極化隔離度取決于反射面和饋源的極化特性以及裝配水平，用戶沒有太多的提高余地，只有選購高性能產(chǎn)品來滿足要求。接收天線極化匹配不良，可通過精心調(diào)整達(dá)到最佳，這正是下面要討論的重點。
3、極化調(diào)整與測量
3.1 極化干擾分析
單極化系統(tǒng)，極化不匹配會產(chǎn)生極化損耗使接收信號降低。雙極化系統(tǒng)，極化不匹配不僅產(chǎn)生極化損耗，降低接收信號；還會產(chǎn)生同頻正交極化干擾，增加噪聲電平，使接收信號載噪比大大降低，嚴(yán)重時有明顯干擾，甚至無法收看。下面來定量分析反極化干擾 ，以亞洲衛(wèi)星二號為例，見圖5所示。
3B轉(zhuǎn)發(fā)器有5個SCPC數(shù)字電視載波，輸出功率回退3dB，下行水平極化；3A轉(zhuǎn)發(fā)器只有一個MCPC（香港STAR TV）數(shù)字電視載波，無輸出功率回退，下行垂直極化。我們以EIRP⊥、ELRP‖ 分別表示衛(wèi)星垂直極化、水平極化的全向等效輻射功率，E⊥、E‖ 分別表示地面接收的垂直極化、水平極化衛(wèi)星信號的電場強度（或電平）。則可得到下式：
EIRP⊥= EIRP‖+ 3dB，所以E⊥≈1.41E‖。
假定用一單極化接收天線，準(zhǔn)備接收水平極化的“江西衛(wèi)視”，而饋源未調(diào)整，極化匹配處于標(biāo)準(zhǔn)的水平極化狀態(tài)，接收地點是南昌，根據(jù)計算極化角P=-28°。從圖6的反極化干擾分析中得知，衛(wèi)星水平極化波耦合到饋源水平極化端口的主極化分量為E‖cosp，衛(wèi)星垂直極化波偶合到饋源水平極化端口的反極化分量為E⊥cos(90-p)。忽略所有其它噪聲的干擾，則水平極化的載噪比是：
(C/N) = 20lg｜(E‖cosP) / [E⊥cos（90-P）]｜
= 20lg｜E‖cos(-28) / [1.41E‖cos（90+28）]｜
此數(shù)值明顯低于數(shù)字衛(wèi)星接收機的門限，也就是說上述狀態(tài)下根本收不到“江西衛(wèi)視”節(jié)目�！敖餍l(wèi)視”于97年元旦開播，6月25日突然收到不少地方來電話，反映“江西衛(wèi)視”節(jié)目收視不好，畫面經(jīng)常出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象，有的地方完全收不到。我站3米天線的信號強度由83降為40，接收機是PHILIPS的SMATV IRD3590/11型，但12米天線信號沒任何影響。經(jīng)分析認(rèn)為是極化干擾所致，而12米天線由于極化匹配調(diào)整精確，不受任何影響。后來打電話給亞洲衛(wèi)星公司，得到答復(fù)：香港STAR TV租用的3A轉(zhuǎn)發(fā)器投入使用，這證實了我們的判斷。經(jīng)我站的指導(dǎo)，有問題的臺、站均恢復(fù)了正常，可見接收站天線極化匹配的調(diào)整非常重要。
3.2 極化角的調(diào)整
調(diào)整極化角之前,先計算理論值,其值有三種情況：P＞0，P=0, P＜0，對應(yīng)的極化角調(diào)整方向見圖7，圖中只列出了水平極化的狀況，垂直極化的調(diào)整方向與此相同。注意，此圖是逆著電磁波的入射方向得到的結(jié)果，即前饋天線是站在天線前面，從矩形波導(dǎo)口向饋源看過去，后饋天線是站在天線后面，也從波導(dǎo)口向饋源看過去。P=0時，接收站與衛(wèi)星同經(jīng)度，其極化為理想的水平（或垂直）極化；P＞0，此時接收天線的方位角是南偏東，前饋天線饋源（或極化器）順時針旋轉(zhuǎn)，后饋天線逆時針旋轉(zhuǎn)；P＜0，此時接收天線的方位角是南偏西，前饋天線饋源逆時針旋轉(zhuǎn)，后饋天線順時針旋轉(zhuǎn)。
在實際的極化角調(diào)整中，可分二步走：
�。�.粗調(diào)：先按計算所得的俯仰角、方位角和極化角調(diào)整天線指向及饋源旋轉(zhuǎn)角度，使俯仰角、方位角最佳并鎖定天線指向。
ｂ.細(xì)調(diào)：用頻譜儀分析儀、AGC電壓或信號強度指示等方法精確調(diào)整。
3.2.1 頻譜儀調(diào)整法
無論是接收模擬衛(wèi)視信號還是數(shù)字衛(wèi)視信號，均可用頻譜儀調(diào)整極化角，此法精度高，但頻譜儀價格昂貴，只適合有條件的臺站。頻譜儀調(diào)整極化角均利用星上信標(biāo)信號，它分為谷值法和峰值法。谷值法精度更高，因為谷值點較為尖銳，但這只對大中型天線有效；如果是小天線，信標(biāo)信號沒有足夠的動態(tài)范圍，宜用峰值法。
調(diào)整之前應(yīng)知道衛(wèi)星信標(biāo),假定信標(biāo)均為水平極化,如亞太1A信標(biāo)信號為水平極化的4198.125MHZ和4199.375MHZ，亞洲2號信標(biāo)為水平極化的4197.5MHZ和4199.5MHZ。谷值法和峰值法的設(shè)備、儀器連接見圖8。谷值法調(diào)整步驟如下：⑴將LNB連到雙極化饋源垂直極化波導(dǎo)口A，頻譜儀上可以看到耦合進(jìn)來的水平信標(biāo)信號。⑵將饋源順時針（或逆時針）旋轉(zhuǎn)一小角度(3-5°)，如信標(biāo)信號減小，繼續(xù)順（或逆）時針轉(zhuǎn)動；如信標(biāo)信號增大，則逆（或順）時針轉(zhuǎn)動。由于谷值點較尖銳，轉(zhuǎn)動要慢。⑶反復(fù)旋轉(zhuǎn)饋源，找到谷值點后即信標(biāo)信號最小點，再鎖定饋源，極化匹配就算調(diào)整完畢。
如果將LNB連接到水平極化口B，慢慢旋轉(zhuǎn)饋源找到水平信標(biāo)信號的峰值點，再鎖定饋源，即為峰值法。谷值法和峰值法的調(diào)整結(jié)果均為A口接收垂直極化信號，B口接收水平極化信號。
3.2.2 AGC電壓調(diào)整法
AGC（自動增益控制）電壓調(diào)整法是利用衛(wèi)星接收機輸出的AGC電壓來調(diào)整接收天線的極化匹配。該法無需昂貴儀器，只要帶有AGC電壓輸出的衛(wèi)星接收機和萬用表即可，適合普通用戶。AGC電壓調(diào)整法也是一種峰值法，與頻譜儀調(diào)整法相比精度較低，其設(shè)備、儀器連接見圖9。
調(diào)整步驟如下：⑴將LNB接到有模擬衛(wèi)視信號的垂直極化端口A（或水平極化端口），并將接收機設(shè)置相應(yīng)的頻道和參數(shù)，使之能收到電視信號，并讀出對應(yīng)的AGC電壓D。⑵將接收機調(diào)到無電視的頻道，如AGC電壓低于D，表明AGC電壓隨信號強度增大而升高；反之，表明AGC電壓隨信號增強而降低。假定使用的衛(wèi)星接收機（如東芝C4）具有前者的特性。⑶將接收機調(diào)回有節(jié)目的頻道，調(diào)整饋源找到AGC電壓的最大點M。⑷為確保極化匹配最佳，可用峰值平均法。將饋源順（或逆）時針慢慢旋轉(zhuǎn)，使AGC電壓比最大值M下降某一數(shù)值（如0.6 V），將此時饋源的相對位置作記號1。⑸將饋源逆（或順）時針慢慢旋轉(zhuǎn)，使AGC電壓跨過最大點M后又下降同一數(shù)值（0.6V），此時饋源相對位置作記號2。⑹將饋源轉(zhuǎn)到記號1和記號2的中間，此即為極化最佳匹配位置，鎖定饋源，極化調(diào)整即告結(jié)束。
極化調(diào)整好以后，圖像清淅、穩(wěn)定、無干擾，聲音悅耳、無噪聲，某一端口只能接收某種極化的節(jié)目。極化匹配不好的系統(tǒng)最常見現(xiàn)象是：圖像噪波多，出現(xiàn)大面積色塊畫面時更明顯，有不穩(wěn)定的短白線干擾，或兩種不同極化的節(jié)目在一個端口上均能收到。AGC電壓調(diào)整法一般用在模擬衛(wèi)星電視的場合。
3.2.3 信號強度調(diào)整法
當(dāng)接收數(shù)字衛(wèi)星電視，在沒有頻譜儀時，如何調(diào)整極化角呢？此時AGC電壓調(diào)整法受到限制，因為數(shù)字衛(wèi)星接收機絕大多數(shù)沒有AGC電壓輸出端口。如果播出數(shù)字衛(wèi)星電視的衛(wèi)星上也有模擬衛(wèi)視節(jié)目，同時手中又有帶AGC電壓輸出的模擬接收機，可利用AGC電壓調(diào)整法調(diào)整極化匹配。
信號強度調(diào)整法設(shè)備連接見圖10，這種方法無需任何儀器，適合帶信號強度指示的數(shù)字衛(wèi)星接收機的所有用戶。信號強度調(diào)整法也屬于峰值法。其步驟如下：
�、鸥鶕�(jù)需接收的數(shù)字衛(wèi)視信號的極化方式，將LNB連接到饋源垂直（或水平）極化波導(dǎo)口A（或B）。
�、瓢唇邮展�(jié)目的參數(shù)設(shè)置接收機，并使其處于顯示信號強度狀態(tài)，此時監(jiān)視器上有一定的信號強度指示。指局狄話閿辛街址絞劍篸B值表示和百分?jǐn)?shù)表示。
⑶緩慢旋轉(zhuǎn)饋源，用峰值平均法（參見3.2.2 AGC電壓調(diào)整法的調(diào)整步驟④⑤⑥）找到信號強度的最大點后鎖定饋源，則極化匹配調(diào)整即告完成。
極化匹配調(diào)好后，接收同一轉(zhuǎn)發(fā)器上的各載波顯示的信號強度應(yīng)一致或相近。如極化未調(diào)整或調(diào)整不良，則表現(xiàn)為處于各轉(zhuǎn)發(fā)器中心位置上的數(shù)字衛(wèi)視信號強度高，其它位置的節(jié)目信號強度明顯偏低。這是因為轉(zhuǎn)發(fā)器中心位置處于反極化的兩個轉(zhuǎn)發(fā)器保護(hù)間隔處，干擾信號較�。ɑ驔]有），如圖5所示。
3.3 極化隔離度測量
⑴設(shè)備儀器連接見圖8
�、朴妙l譜儀法精確調(diào)整極化匹配。
⑶在水平極化端口B上測量星上水平極化信標(biāo)（如亞洲2號的4199.5MHZ信標(biāo)，頻譜儀狀態(tài)為分辨帶寬30HZ，視頻帶寬30HZ，掃描寬度2KHZ，掃描時間6.67Sec)，讀得信標(biāo)電平為B。
�、葘NB和頻譜儀等所有設(shè)備連接到垂直極化端口A，保持頻譜儀的設(shè)置不變，只改變其衰減器數(shù)值，這樣可保證消除因設(shè)備、儀器和連線等帶來的誤差，此時測得同一信標(biāo)電平為A。
⑸計算接收天線整體（天線反射面和饋源等）的正交極化隔離度XPI. XPI=B-A (dB)
質(zhì)量好的天線XPI指標(biāo)在30dB以上，可滿足雙極化接收要求，一些質(zhì)量低劣或安裝調(diào)整不當(dāng)?shù)奶炀�，XPI指標(biāo)甚至不到20dB，則難以達(dá)到好的接收效果。
4、結(jié)束語
本文對衛(wèi)星電視的極化問題作了一些理論上的探討，并給出了幾種實用的極化匹配調(diào)整方法。希望能給業(yè)內(nèi)外人士提供點滴幫助，更希望同行們指出本文之不足，以促進(jìn)衛(wèi)星廣播電視事業(yè)的發(fā)展。
摘自 全國衛(wèi)星廣播網(wǎng)
