和差极化方式不同导致跟踪相位突变的理论分析周阳辉

和差极化方式不同导致 跟踪相位突变的理论分析 通信 周阳辉 1 问题的引出 921-07任务中，卫通首次使用 60E星圆 极化 B转发器。出现如下问题： 和差通道均切换为 B极化模式，方位和俯 仰中始终有一路信号极性反相。 和差通道极化方式不一致的模式，随着地 理位置的变化，相位值发生了改变。 三个问题亟待原理上的推导： 我船模拟接收机对 B极化模式校相，两轴 误差信号反相原因。 采用数字接收机跟踪 B极化模式正常，它 和模拟接收机有何区别？ 和差通道极化方式不一致时，相位值发生 突变的原因。 2 原理阐述 2.1 误差信号表示 垂直轴 水平轴 卫星 ( 方位误差 ) （ 俯仰误差 ） c os si n 当 足够小时，天线偏离的大小可以近似 表示为 ，我们可以得到方位和俯仰的误差 电压可以分别表示为： 方位误差信号 UAZ = Kj cos， （ 2.1） 俯仰误差信号 UEL = Kj sin， （ 2.2） 其中 Kj 为相应的增益调节系数。 2.2 差模跟踪原理 单脉冲单信道跟踪原理，主要利用了馈 源波导中主模和差模电磁场的天线方向图。 更确切地说，差模跟踪利用了天线偏离 角度 极小时，和信号激起的主模幅度基本 不变化，差模信号幅度线性正比于偏离角度 ，且以角度 作为极性特性。和差信号可 以表示为： E =bcost （ 2.3） E =bcos(t+) （ 2.4） 2.3 单通道接收机 单通道跟踪接收机将差信号经过调制或混 频等变换，抑制掉原有频率分量。然后将 和、差信号加在一起，通过一个通道传输、 变换、解调，形成单通道接收机。 优点：是合成后的信号在一个通道内传 输，和信号和差信号传输时同样放大、同样 变频、产生同样时延。 (和、差信号的相对相 移不变 ) LNA 0 / LNA 放大 、 变频 、 锁相 参考本振 PD 1 同步检波 1 PD 2 同步检波 2 CL OCK c u 2 e U A U E u 1 / 2 移相 模 拟 接 收 机 原 理 移相器 3 问题分析 3.1 坐标系和公式的重新建立 大部分参考书使用的和差信号表达式。不 具有一般性 。岗位人员初步推导时，利用上 述表达式，无法突破理论局限，找不出相位 变化的原因。 图 4是我们重建的复平面大地坐标系，它 将信标的极化变化状态完整的表达出来。 i j 角 速 度 t 角 速 度 t 线 极 化 信 标 1 2 图 4 馈源喇叭接收信标矢量分解图 由此我们可以得到线极化信标和分解的 两圆极化信标的表达式分别为： E线 =bcost ej （ 3.1） E左圆 =be-jt ej1 （ 3.2） E右圆 =bejt ej2 （ 3.3） 3.2 理论分析 3.2.1 两轴极性相反的原因 在合路网络前的和差信号分别为： E =kbcos（ -t+1+1） （ 3.4） E =kbcos(-t+1+2) （ 3.5） 差信号经过方波调制后与和信号相加，合成后 的信号 放大、变频、锁相后，变为频率 1t的中频 信号。 锁相环将频率、相位锁定于和信号，得到用 于解调的参考源输出信号。 经过 移相和反相后的参考源标准信号信号分 别为： U1(t)=cos(1t11+） U2(t)=sin(1t11+) 其中，前项相乘，一项为直流项，一项为 高频分量，均不含有误差信号，因此可以方 便的滤除； 后两项相乘，并滤除高频分量为 kbcos(+2-1），将 =1- 2代入，由此可得： U1(t) (E+E)=kbcos C(t) 同理：滤除高频分量和直流项后， U2(t) (E+E)=kbsin C(t) 解出的信号再进入同步检波器，滤除方 波可得： 方位误差信号 UAZ=kbcos 俯仰误差信号 UEL=-kbsin 大多数数字接收机，它的每一路都有移 相器，或者反相器，可以智能的实现信号极 性的反转，大卫通模拟接收机只有一个可调 移相器，这导致它不能分别调整两轴相位。 针对此缺陷， 921-07任务中我们设计了如下方案： 原输出为： 俯仰误差信号 UEL=-kbsin （ 3.13） 方位误差信号 UAZ=kbcos （ 3.14） 首先将接收机送至的模拟误差信号 Ua， Ue的接线 互换，两轴的误差信号转变为： UEL=kbcos （ 3.15） UAZ=-kbsin （ 3.16） 然后通过接收机相位值的调整，即减小 90 来完成到正 确状态的转换得到： UEL=kbcos（ -90 ） =kbsin （ 3.17） UAZ=-kbsin（ -90 ） =kbcos （ 3.18） 3.2.2 相位突变的原因 使用和差通道极化方式不一样的模式校相 时，和信号选 B极化，差信号选 A极化，在合路 网络前的和差信号分别为： E =kbcos（ -t+1+1） （ 3.19） E =kbcos(t +2+2) （ 3.20） 推理过程如上，最后得到： 是移相器移相值，移相时必须满足： =1+2+1+2=2+1+2 由上可知，接收机的移相值不但与和差 通道的相位差有关，还与线极化信标的极化 有关。由于极化角随着地理位置的变化而变 化，造成模拟接收机相位突变。 3.2.3 理论和实测数据误差的原因 极化角计算公式为 ，在江阴码 头 =55o，在突变点 =83o，由式 3.23可以得 到相位突变理论值 =2（ ） =2 （ 83-55） =56o，与实测相位变化值有 24o左 右的误差。 tg s ina rc tg 对于这一误差，有人认为属于系统误差。我 们认为遗漏了一项变量是理论与实测不符的重要 原因。当旋向不同的和差信号进入后，它们的相 位差是反向变化，这比同向变化的双通道接收机 的性能恶化更严重。图 6是和差通道相位差的简 易示意图， 解 调 误 差 信 号 1 2 图 6 和差通道相位差示意图 将 因数代入公式 3.19、 3.20可得到： E =kbcos（ -t+1+1+） E =kbcos(t+2+2+) 所以： =2+1+2+2 1、 2因为路程较短，电缆较少，可认为 近似不变。合路后端的相位由于电缆较长（天 线到机房）、设备较多、运算环节较多，温 度、湿度等因素都会产生较大影响。 设两地的相位分别为 和 ，由式 3.23 得相位变化量为： =2（ ） +2（ -）。 其中， 2（ -）就是实测和理论的误 差所在，由此理论和实测得到了圆满的统一。 这也再次说明变量不可轻易省略。 谢谢大家