1和差极化方式不同导致跟踪相位突变理论分析周阳辉

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60ºE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 当θ足够小时，天线偏离的大小可以近似 表示为θ，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 θcosφ， （2.1） 俯仰误差信号UEL Kj θsinφ， （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θ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 θ，且以角度φ作为极性特性。和差信号可 以表示为 EΣ bcosωt （2.3） EΔ bμθcosωtφγ （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 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。 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 bcosωt ejΦ （3.1） E左圆 be-jωt ejβ1 （3.2） E右圆 bejωt ejβ2 （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 EΣ kbcos（-ωtβ1γ1） （3.4） EΔ kbμθcos-ωtφβ1γ2 （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ω1t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 U1tcosω1t–β1–γ1γ） U2t–sinω1t–β1–γ1γ 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 kbμθcosφγγ2-γ1），将γγ1- γ2代入，由此可得 U1tEΣEΔkbμθcosφCt 同理滤除高频分量和直流项后， U2tEΣEΔ–kbμθsinφCt 解出的信号再进入同步检波器，滤除方 波可得 n方位误差信号UAZkbμθcosφ n俯仰误差信号UEL-kbμθsinφ 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-kbμθsinφ （3.13） 方位误差信号UAZkbμθcosφ （3.14） 首先将接收机送至ＡＣＵ的模拟误差信号Ua，Ue的接线 互换，两轴的误差信号转变为 UELkbμθcosφ （3.15） UAZ-kbμθsinφ （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 UELkbμθcos（φ-90°）kbμθsinφ （3.17） UAZ-kbμθsin（φ-90°）kbμθcosφ （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 EΣ kbcos（-ωtβ1γ1） （3.19） EΔ kbμθcosωt φβ2γ2 （3.20） 推理过程如上，最后得到 γ是移相器移相值，移相时必须满足 γβ1β2γ1γ22Φγ1γ2 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Φ55o，在突变点Φ’83o，由式3.23可以得 到相位突变理论值γ−γ’2（Φ–Φ’）2 （83-55）56o，与实测相位变化值有24o左 右的误差。 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， 图6 和差通道相位差示意图 将Δγ因数代入公式3.19、3.20可得到 EΣ kbcos（-ωtβ1γ1Δγ） EΔ kbμθcosωtφβ2γ2Δγ 所以 γ2Φγ1γ22Δγ γ1、γ2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γ和γ’，由式3.23 得相位变化量为 γ−γ’2（Φ–Φ’）2（Δγ-Δγ’）。 其中，2（Δγ-Δγ’）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