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卫星通信天线极化角偏差对天线增益、交叉极化隔离度的影响

news 2025/10/4 8:32:35

卫星通信天线极化角偏差对天线增益、交叉极化隔离度的影响

在上一个章节卫星通信天线的极化角定义、计算、与位置和姿态的关系中，我们介绍了卫星通信天线极化角的定义、极化角的计算公式，载体姿态变化跟极化角变化的关系等。

当由于天线位置的变化、载体姿态变化引起了极化角偏差，如果天线不主动调整极化角，这个极化角偏差会带来哪些影响呢？

本章节我们就来讨论这个问题。

极化角偏差对天线增益的影响

当计算出的理想极化角与天线实际的极化角相差角度为θ 时，由极化失配所导致的天线增益降低（或称为天线极化损耗），可以通过下面的公式来计算：

LdB=20⋅log10(cos(θ))

其中角度θ的单位是度(°)，(θ在±90°之间)，在工程上称为“极化失配角”。由于cosθ≤1，所以L_{dB}是负数，表示增益损失。在工程上，我们通常对L_{dB}取绝对值，称为“极化损耗”。

上面的公式可以等效为：

LdB=10⋅log10(cos2(θ))

其中PLF=cos^2(θ),称为极化损耗因子，表示：因极化失配，天线实际能够接收到的功率，与理想情况下（完全匹配）可接收到的最大功率的比值。

根据上面的公式，我们计算了典型的极化失配角和极化损耗的关系。

失配角 (θ)	cos(θ)	PLF ($cos^2(θ)$)	增益损耗 (dB)	备注
0°	1	1.000 (100%)	0.00 dB	完美匹配
3°	0.9986	0.997 (99.7%)	0.01 dB	极小的、可忽略的损耗
5°	0.9962	0.992 (99.2%)	0.03 dB	仍然很小
10°	0.9848	0.970 (97.0%)	0.13 dB	开始变得可以测量
15°	0.9659	0.933 (93.3%)	0.30 dB	对链路预算有显著影响
22.5°	0.9239	0.854 (85.4%)	0.69 dB	损耗较大，接近1dB
30°	0.866	0.750 (75.0%)	1.25 dB	损失了1/4的功率
45°	0.7071	0.500 (50.0%)	3.01 dB	损失了一半的功率！
60°	0.5	0.250 (25.0%)	6.02 dB	损失了3/4的功率
90°	0	0.000 (0%)	-∞ dB	交叉极化，完全收不到信号

当极化失配角≤10°的时候，极化损耗可很小，可以忽略不计；
当极化失配角≥15°的时候，极化损耗＜0.3dB，对卫通链路将产生影响。

回到前面的例子

天线位置引起的极化角变化导致的极化损耗

场景设定：

卫星位置： 东经101°的地球同步卫星。
汽车初始位置 (A点): 北纬40°，东经85°。
汽车运动： 沿东经85°经线，向正北方向行驶100公里。
计算结果： 载体位置变化100km，极化角变化了0.52°。载体位置变化1000km，极化角变化4.8°；

极化角变化0.52°，引起的天线增益降低值约等于0dB；

极化角变化4.8°，引起的天线增益降低是0.03dB。

因此，天线位置引起的极化角变化很小，导致的极化损耗也很小。

载体姿态引起的极化角变化导致的极化损耗

在上一个章节中，我们提到典型场景下姿态变化引起的极化角变化：

场景	载体姿态变化	天线俯仰角(El)	主要影响项	所需极化角修正 ΔPol (约)
场景1：船舶在风浪中	横滚 Δr = +10° (偏航 Δy ≈ 0)	30°	横滚主导	10° + 0 * sin(30°) = 10°
场景2：飞机进入转弯	偏航 Δy = +20° (横滚已由天线补偿)	45°	偏航主导	0 + 20° * sin(45°) = 14.1°
场景3：汽车在立交桥上盘旋	偏航 Δy = +90° (90度转弯)	60° (卫星位置较高)	偏航效应显著	0 + 90° * sin(60°) = 77.9°

根据极化角失配和极化损耗的公式，就可以计算出载体引起的极化损耗。

在场景1中，极化角变化10°，对应极化损耗是0.13dB；

在场景2中，极化角变化14.1°，对应极化损耗是0.27dB；

在场景3中，极化角变化77.9°，对应极化损耗是13.7dB；

所以载体姿态变化引起的极化角变化非常显著，如果不做极化补偿，会带来严重的极化损耗，影响卫通链路的通信质量。

极化角偏差对交叉极化隔离度的影响

什么是交叉极化隔离度

前面介绍了极化角偏差引起的极化损耗对天线增益的影响，当极化角偏差小于10°的时候，天线增益降低0.1dB，是否可以认为极化角失配小于10度，对整个卫星通信链路没有实质性影响呢？

答案是：不能；

因为极化角偏差影响的并不仅仅是直接的增益损耗，而是由于极化适配导致的交叉极化干扰，这才是卫星通信中更加严重的影响。

在卫星通信系统中，为了最大限度地利用宝贵的卫星频谱资源，普遍采用双极化频率复用技术。即卫星在发射信号的时候，在同一个频率上，同时传输两路独立的信号：一路使用垂直极化（Vertical），另一路使用水平极化（Horizontal），在两路不同极化的信号中传输两种完全不同的业务，使得频谱效率加倍。

比如下图中亚洲9号卫星的信标：在12.25GHz的频率上有一个水平极化H的信标，同时也有一个垂直极化V的信标。中星10号卫星在12.745GHz上有水平极化信标，在靠近的频率12.741GHz上有垂直极化信标。

水平极化和垂直极化

当卫星发射的2路信号，频率相同，一个是垂直极化，一个是水平极化，对于地面天线来说，如果当前需要接收垂直极化的信号，那么卫星发射的同频率的水平极化信号就可以认为是“干扰”，天线系统就必须具备抑制这一路水平极化信号的能力，这个能力就是交叉极化隔离度XPI。

我们也可以交叉极化隔离这个能力想象成一个高效的“极化滤波器”，交叉极化隔离度XPI越高，说明滤波器性能越好，抑制水平极化信号的能力就越强。

XPI的定义：

XPI定义为天线接收到的“同极化（Co-Polarization）的信号功率，与接收到的“交叉极化（Cross-Polarization）的信号功率之间的比值，通常用分贝（dB）表示。 XPI(dB)=10⋅log10(Pco−polPcross−pol)

其中P_{cross−pol}是接收到的交叉极化信号功率，P_{co−pol}是接收到的同极化信号功率。

极化失配影响

定性分析

卫星发射的水平极化（H-pol）的信号是当前地面天线所需要的。同时，在同一个频率上，卫星正在向另外的用户发送另一路独立的、功率相当的垂直极化（V-pol）信号。
在理想情况下（极化失配角度=0°），天线以水平极化接收信号，正好跟垂直极化的信号正交，完全接收不到垂直极化信号。
但是天线存在极化失配时（极化失配角是Φ），天线不再是纯粹的水平极化，不需要的垂直极化（V-pol）信号，将以 E_V * sin(Φ) 的电场分量被天线接收进来。
这部分“泄漏”进来的垂直极化V-pol信号，对于本来想接收的水平极化H-pol信号来说，就是一种同频、同信道的干扰。