天线罩去极化效应及其补偿

田海南，贾维敏，杨慧杰

(第二炮兵工程学院, 陕西 西安 710025)

0 引言

为使天线能够工作于一个相对稳定的环境，免受风雨等外界因素的干扰，各种通信设备一般都在天线外部覆盖天线罩[1]。然而，对于由多种材料、多层结构复合而成的天线罩，极化电磁波通过它时，其振幅、相位、极化角等将发生不同程度的改变，这将导致信号的极化失配角增大，交叉极化水平增加，误码率上升，严重时将导致通信中断，该现象称之为天线罩去极化效应[2-3]。有效预测并减少或消除天线罩的去极化效应，对于通信领域具有重大意义。

1 天线罩去极化效应原理

天线罩去极化效应的大小由天线罩的材料、形状、位置以及电磁波的频率、极化角、波束指向角共同决定[4-5]。为简化问题，可将天线罩各层材料视为一集合体，并将天线罩的局部近似看作一平面[6]。

根据极化电磁波分解与合成原理，可将入射到天线罩上的极化电磁波分解为垂直于入射面的ETE极化分量以及平行于入射面的ETM极化分量[7]。其中，信号的入射面定义为电磁波的入射方向与天线罩局部法线方向构成的平面。天线罩去极化效应的产生，是因为天线罩对ETE极化分量和ETM极化分量的透射系数不同[8]，导致ETE极化分量和ETM极化分量通过天线罩时，具有不同的振幅衰减和相位延迟，从而导致通过天线罩后的两个极化分量再合成的电磁波与原极化状态不同，即产生了去极化效应。

2 天线罩去极化效应计算

以采用电子变极化方式发射线极化波的某动中通发射系统为例，如图1所示。系统由3 dB电桥、可变衰减器、可变移相器、高功率放大器、天线、天线罩、天线控制电路等组成。

图1 动中通电子变极化发射电路

当发射信号从Tx端口进入后，首先被3 dB电桥(也可改为功分器，但此时极化方式不发生改变)分割为左旋和右旋圆极化信号EL和ER，两路信号的相位分别独立受可变衰减器和可变移相器控制。信号EL和ER经由高功率放大器(HPA)增强并且经由另一3 dB电桥线性极化。所得水平和垂直极化信号Ex和Ey通过天线向空间辐射，所发射电磁波要通过天线罩。天线控制电路用来计算所需极化角，并通过控制可变衰减器和可变移相器的大小，实现极化角的调整。

设可变衰减器和可变移相器分别差分设置为A、1/A和−φ、+φ，在天线坐标中计算天线罩投射场分量Ex和Ey：

极化波入射面和所希望的极化面如图2所示，相对于入射面定义极化方向矢量ETE和ETM，并且相对于希望的极化面定义共极化方向矢量Eco和交叉极化方向矢量Ecross，并定义入射角α和希望的极化角ϕ。

图2 入射平面和极化平面坐标系

根据以上关系，可将入射在天线罩上的一般场Ex和Ey转换成天线罩入射面坐标ETE和ETM：

设天线罩对ETE分量和ETM分量的传输系数分别为τTE和τTM(因为要包含对相位的影响，故τTE和τTM均为复数形式)，τTE和τTM乘以天线罩投射场分量ETE和ETM，产生天线罩远侧的场分量和：

将式(5)和式(6)带入，可得：

可得交叉极化隔离度(XPD)为：

公式(11)为通过天线罩后信号的XPD。式中，τTE和τTM是天线罩复数传输系数，α是入射角而ϕ是希望的极化角。接收时的天线罩去极化效应计算结果仿照以上过程可得。

3 天线罩去极化效应补偿

由式(1)、式(2)与式(11)可知，天线罩导致的去极化效应主要由天线罩传输系数τTE和τTM、电磁波入射面以及希望的极化角决定。当天线罩确定后，测量天线罩传输系数τTE和τTM的值以及天线方位角、俯仰角与电磁波入射角之间的对应关系，由式(1)、式(2)与式(11)联立即可得到根据移相器和衰减器设置(分别为φ和A)的用于天线罩的方程式XPD。通过求解 XPD最大值，得到补偿天线罩去极化效应后移相器和衰减器所应设置值的大小。

在发射时实时解算天线罩去极化效应补偿数据将会增加处理器的运算量，为避免这一现象的发生，可在得出天线罩去极化校正数据后，存储于寄存器待用，处理器只需以预定速率(如大致 l0次/秒)从寄存器取得用于振幅和相位偏移的值即可。总的天线罩补偿控制方案如图3所示。

图3 天线罩去极化校正电路

其中，处理器从天线罩校正数据存储器取得天线罩去极化偏移值，通过内插值计算得出所应设置的可变衰减器和可变移相器的值，并通过加合器与卫星跟踪单元的输出线性叠加，结果输入控制单元，通过控制单元实现整个电路的极化控制。

4 结语

一般来讲，天线罩对ETE极化分量的传输系数模值要比ETM极化分量小，且二者模值应均不大于 1，即。 可设τTE=0.92ejπ/60，τTM=0.95ejπ/90，α=45◦，ϕ=20◦。设电路使用5位数字衰减器和5位数字移相器，分别对不存在天线罩和存在天线罩两种情况下系统的XPD进行仿真，可得对比图如图4所示。

图4φ和A取不同值时系统的XPD

由图4可知，不存在天线罩时，该电子变极化发射系统的XPD最高为57.89 dB，覆盖天线罩后若不进行衰减器和移相器调整，则系统的XPD降低至45.3 dB，较原先降低了约12.5 dB。进行天线罩去极化效应补偿后，系统的XPD最大值为50.58 dB，较未补偿时提高了约5 dB。可知，进行天线罩去极化效应补偿后，有效地提高了通信系统的XPD和极化匹配精度。

以上仿真结果是在忽略系统误差以及元器件精度影响的条件下得出的，实际中的电子变极化发射系统 XPD一般达不到57.89 dB，因此更加有必要进行天线罩去极化效应的补偿，以提高系统的XPD。依据上述原理进行天线罩去极化效应补偿后配置的天线系统，具有基本上纯粹线性极化的信号，可以高XPD发射。

[1] 沈晓卫，姚敏立，林志强，等.“动中通”变极化系统研究[J].通信技术，2007，40(09):5-7.

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