圆极化天线旋向的差错问题

中国空间科学技术　ＣＨＩＮＥＳＥ　ＳＰＡＣＥ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２００２年２月　第１期　圆极化天线旋向的差错问题　张照竞　（４ｔ京空问科技信息研究所、北京１０００８６）　摘要以实例说明了左右圆极化天线经常发生旋向差错的原因；论述了圃极　化渡和天线的基本概念和定义；为防止在夸后卫星Ｉ程和协调中再出现类似差错，　建议采取两项技术措施．可确保星～地圆极化天线旋向的匹配，避免对卫星系统　Ｉ作造成重大损失。　主题词　圃极化天线天线极化失配分析　１引言　在实际卫星工程应用中．由于左右旋极化定义的措辞各有不同，在理解定义含义上混　淆．圆极化天线形式的千变万化等等诸多因素，使圆极化天线旋向匹配常常发生差错。　１　９７０年４月２４　１９，中国发射第ｌ颗人造卫星“东方红一号”，由于地面５ｃｍ精密跟踪　雷达圆极化天线极化旋向的错误，与星上天线极化失配，致使卫星在轨道运行中，地面雷　达接收不到信号；由于收发天线并非纯圆极化（即轴比不等于１），因此，在卫星起飞的主　动段卫星距离地面站较近时，也曾接收到几十秒钟的应答机信号｛上述天线极化失配原因　一直未找到。直到行将发射中国第２颗卫星“实践一号”前夕的紧张时刻，才发现地面雷　达天线极化旋向有问题，但雷达天线却无法做应急修改，为了不延误卫星发射时机，只得　求助星上天线改变极化旋向。幸好星上只是对换了应答机的收、发插头，即改变了原来收、　发天线的极化旋向。结果，”实践一号”卫星上天后，雷达工作完全正常，圆满完成任务　发生以上差错的原因，主要是对极化旋向定义理解的错误造成的。　相隔１８年之后，即１９８８年９月７日中国发射“风云一号”气象卫星，地面站接收到　的卫星自动图像发射机（ＡＰＴ）的信号十分微弱。经事后验证发现，卫星安装时由于操作　人员安装错误．致使ＡＰＴ发射天线与设计的右旋极化旋转方向相反了，这是又一次极其深　刻的教训。　中国　东方红二号”试验通信卫星的天线系统较为复杂。星上共有遥测、遥控、通信　３种天线和４个通道：通信收、发２个通道；遥测发射通道和遥控接收通道。全部采用圆极　化天线。遥测天线发射左旋极化渡，遥控天线接收右旋极化波。而通信天线发射左旋极化　波，同时接收右旋极化波，即同一天线收、发两种不同极化方式的波。３种天线４个通道又　共用一个多路旋转关节．使天线馈线部分更为复杂。如果工作稍有不慎：圆对称的圆极化　收稿日期：２００１　０９—２０　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００２年２月　中国空间科学技术　３７　器安装相差９０。；收发馈线插头接错；遥测、遥控天线接反……等等．均会造成极化旋向差　错。　圆极化天线在加工、制造和安装过程　中也可能发生旋向差错。　东方红二号”卫　星遥测发射天线和遥控接收天线均采用双　圆盘隙缝天线，见图１（ａ）。图ｌ表示的是　左旋极化的遥测发射天线。在制图时，因　某种需要要画其刹视图．由于剖视图展示　共ｌ２条隙缝　｛ａ）双圆盘隙缝无线　【ｂ）正视图　的是背面隙缝，其走向与正视图（ｂ）展示　的正面隙缝走向相反，故图ｌ中（ｃ）的剖　视图画法是正确的，而（ｄ）的画法却是错　误的。为此，若在制图和加工制造中略有　疏忽，极易将左右旋极化搞反。　综上所述，本文所提出的圆极化天线　题口　：ｚ＝　２ｚ　ｃ）剖视图正确画法　匝‘　ｃ口５：　￡口　　ｆｄ）剖视图错误画法　图１双圆盘隙缝遥测发射天线图　发生旋向差错的问题，具有一定的严重性和普遍性。为吸取以往教训，本文力图从圆极化　的基本概念、定义和制作标准照明天线进行实测鉴别的两方面来解决这一问题。　２　圆极化的基本概念：　。］　２．１　实现圆极化的条件　如有两个波，频率相同．其合成波要实现圆极化，则必须满足以下三个条件：　】）在直角坐标系中，两个波的电场矢量在空间必须互相垂直，Ｅ　：Ｅ　，Ｅ　；Ｅ　，。　２）两个波的电场矢量随时间变化的相位相差９Ｏ。，Ｅ　：Ｅ　ｓ　ｎ（　），Ｅ。一Ｅ　ｓ　ｎ（　土　９０　）＝士Ｅ，ｃｏｓ（　）。取正号为例，则有Ｅｌ（ｆ）＝Ｅ　ｓｉｎ（　），Ｅ２（ｆ）＝Ｅｙｃｏｓ（　）。　３）两个波电场矢量其幅度必须相等，Ｅ　一Ｅ　一Ｅ。　综合以上三条件在直角坐标系ｚ一　中，Ｅ　（￡）：Ｅ　ｓｉｎ（　）一Ｅｓｉｎ（ｗｔ），Ｅ　（￡）一　Ｅ　ｃｏｓ（ｗｔ）＝Ｅｃｏｓ（　），此即圆的参数方程　合成波的合成电场矢量髓的幅值为Ｅｚ：　，ｉｎ　（　）＋Ｅ。ｃｏｓ　（ｗｔ）＝Ｅ．相角口　周期为丁：　＝专，，为两波的频率。　合成电场矢量Ｅｚ是随时问ｆ以　角速率旋转的，其模ｌ丑　ｌ的大小不变，即在各个方向　上的幅度都相等，此即圆极化波的由来。　２　２左右旋极化波　在任一垂直于传播方向的固定平面上，顺着电波传播方向看去，若电场矢量随时间按　逆时针方向旋转的极化波，称为左旋极化波；若电场矢量随时间按顺时针方向旋转的极化　波．则称为右旋极化波。或者．左手拇指指向电波传播方向，其电场矢量随时间的旋向符　合左手其余四指旋向的极化渡，称为左旋极化波；右手拇指指向电波传播方向，其电场矢　维普资讯 http://www.cqvip.com

中国空问科学技术　量随时间的旋向符合右手其余四指旋向的极化波。称为右旋极化波，　国际电联（ＩＴＵ）除了上述时间域的定义外。还做了电场矢量在空间分布的定义：对于　圆极化波（在各向同性介质里），由任一垂直于波前平面的直线Ｅ各点所作各电场矢量的顶　端，若在任何时刻在空间都形成一个右旋螺线的是左旋极化波（见图２）；若在任何时刻在　空间都形成一个左旋螺线的是右旋极化波（见图３）。　焉２左旋圆极化漩电场矢量的空间分布　圈３右旋嘲极化渡电场矢壁的空间分布　图注：ｓ为电被传播方向矢量　Ｅ为电场矢量；￡１～ｔ　为不同时刻　需要特别引起注意的是：在空间域定义中，各电场矢量顶端在任何时刻在空间所形成　的螺线的旋向。正好与时间域定义的圆极化波随时间的旋向是相反的。这正是空间域定义　与时间域定义极易混淆之处。　２．３左右旋极化天线　将天线作为发射天线，人从发射天线处顺着电波发出方向看去．发出左旋极化波的天　线，称为左旋极化天线；发出右旋极化波的天线。则称为右旋极化天线。　２．４　极化天线接收极化波实例说明　左旋极化天线接收左旋极化波．右旋极化天线接收右旋极化　波。为什么左旋极化天线不能接收右旋极化波？右旋极化天线不能　接收左旋极化波？下面以对称交叉振子天线为例加以说明。　设发射天线为右旋极化天线，故发射的是右旋极化波。相位　上Ｅ，分量超前Ｅ　分量９０。．即Ｅ　一ｊＥ　电波传播方向ｓ指向纸　外，按定义可知发出的是右旋极化波（见图４）。　图４右旋圆极化被　设接收天线为左旋极化天线，即作为发射时．其发射的是左　旋极化波（见图５）。因为该天线发射时．电波传播方向Ｓ指向纸里。又因一对Ｘ振子的馈　线长，Ｊ，较另一对Ｙ振子的馈线：，Ｊ＋｛ｊ短＾　，所以相位上Ｅ　ｒ分量将超前Ｅ　分量９０。，按　定义可知它是左旋极化天线．其接收时，Ｘ振子接收的场强Ｅ　在其上激励起电流Ｌ；Ｙ振子　维普资讯 http://www.cqvip.com

２ＤＤ２年２月　中国空间科学技术　接收的场强Ｅ　在其上激励起Ｉ　；因为Ｅ　一ｊＥ　，所以在　两对振子上所感应的电流也有相应的关系，即Ｉ　＝ｊＩ　。　从接收机人口Ａ、Ｂ两端看：因为Ｙ振子到输人口　Ａ、Ｂ之馈线较Ｘ振子到输人口Ａ、Ｂ之馈线长　／４，所　相位上　将比　再滞后９０。，从而输人口Ａ、Ｂ两电流　分量有如下关系：　Ｉ　一一Ｉ　一一ｌ　ｌ（其幅度相等，相位差１８０。）．故　Ｉ　ａ＝Ｉ　＋Ｌ一一Ｉ　＋Ｉ　一０（两分量抵消）．所以接收　机接收不到人射来的右旋极化渡。　如果人射波是左旋极化渡．即Ｅ　一ｊＥ　，Ｉ　＝ｊＩ　，则　Ｉ　＝Ｉ　一ｌ　ｌ（幅度相等，相位同相），故ＩＡ　一Ｉ　＋　Ｉ　一２　Ｉ　（两分量相叠加），所以接收机可以接收到很强　的信号。　圈５左旋圆极化交叉振于天线　３左、右旋极化标准照明天线　国际电联（ＩＴＵ）对于左、右旋圆极化波的定义均做了明确的规定，以作为国际间协调　的依据，避免相互干扰。为此，建议有关标准化部门也应对左、右旋圆极化做相应的明文　规定，以作为大家共同遵循的统一标准，避免极化旋向发生差错。　但仅仅有了上述的明文统一标准定义，还不足以在实际工程应用中避免差错。因为从　前述举例可以看到：圆极化天线形式千变万化；地面天线和航天器天线往往不是同一单位　研制生产；种种原因和条件限制，星一地天线不能联试和定量测试；还有，从研制到交付　使用，文件中措辞不严谨、资料不详尽以及在制图、加工生产和安装过程中只要一个环节　稍有疏忽．均会造成左、右旋极化旋向的差错。所以还必须像标准化问题一样，建议在各　个波段统一规定一些简明实用的左、右旋极化的标准照明天线，以作为实测鉴别之用。例　如微波波段，可制作左、右旋平面螺旋天线；超短波波段可制作左、右旋八木天线等，用　来鉴别左、右旋极化，既方便又实用可靠。这样，即使因种种原因而造成疏忽和差错，也　能预先发现并及时得到纠正。　４结论　“东方红一号”卫星的地面５ｃｍ精密跟踪雷达天线极化旋向错误和“风云一号”气象卫　星自动图像发射机圆极化天线安装错误，教训是深刻的。“东方红二号”通信卫星的天线及　馈线系统远比上述两种天线复杂，却防止和杜绝了极化旋向的差错，确保了星一地极化匹　配和卫星通信、广播和测控的圆满成功．其原因就是采取了上述两项行之有效的技术措施：　①在任务书中对左、右旋圆极化做了统一的明文规定；②制作了用于实测鉴别的平面螺旋　标准照明天线。这一宝贵经验值得推广。　感谢王爵骐研究员和西安空间无线电技术研究所　东方红二号”试验通信卫星天线组　维普资讯 http://www.cqvip.com

４０　中国空间科学技术　全体同志对本文工作的帮助。　参考文献　１９７７　．１陈芳允．卫星测控手册．北京：Ｎ－Ｎ：ｔｔｌ版社，１　９９３，２２０～２２１　２　国际电信联盟・卫星广播世界无线电行政大会最后文件．国际电信联盟出版，日内瓦３　ＩＴＵ　Ｒａｄｉｏ　Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ．６．１８～６１　９，ＳｅｃｔｉｏｎⅥＡｒｔｉｃｌｅ　１：Ｔ㈣．，ｓ　ａｎｄ　Ｄｅｆｉｎｉｃｉ０ｎｓ，Ｃｈａｐｔｅｒ　１Ｔ㈣ｌｎｏ　］ｏｇｙ，Ｃｅｎｅｖａ．１９９８．　作者简介　研究员，中　国空间技术研究院科技委委员。曾多年从事通信卫星无线电总体工作，现主要从事空间技　。张照炎　１　９４０年生，１９６５年毕业于哈尔滨军事工程学院无线电遥控专业术信息研究。　Ｍｉｓｔａｋｅｓ　ｏｆ　Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ　Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　Ａｎｔｅｎｎａ　Ｚｈａｎｇ　Ｚｈａｏｙａｎ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｐａｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８６）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｗｈｉｃｈ　ｏｆｔｅｎ　ｃａｕｓｅ　ｍｉｓｔａｋｅｓ　ｏｆ　ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ　ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｗａｖｅ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｂａｓｉｃ　ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ　ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｗａｖｅ　ａｎｄ　ａｎｔｅｎｎａ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｏ　ａｖｏｉｄ　ｍｉｓｔａｋｅｓ　ｏｆ　ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ　ｐｏｌａｒｉｅｄ　ｚｗａｖｅ，ｔｗｏ　ｉｔｅｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｓｅｆｕｌ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ．　Ｓｕｂｊｅｃｔ　Ｔｅｒｍ　Ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ　ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ａｎｔｅｎｎａ　Ａｎｔｅｎｎａ　Ａｎａｌｙｚｉｎｇ　和和和和和和和扣和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和和　（上接第３０页）　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｈｙｂｒｉｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈ。ｄ　ａｎｄ　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａ１　Ｅｎｅｒｇｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｐｒｅｄｉｃｔ　ｔｈｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｕｎｄｅｒ　ｗｉｄｅ—ｈａｎｄ　ｒａｎ—　ｄｏｒａ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ａｃｃｏｒｄｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｗｅ１１．　Ｓｕｂｊｅｃｔ　Ｔｅｒｍ　Ｒａｎｄｏｍ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａ１　ｅｎｅｒｇｙａｎａ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１ｙｓｉｓ　Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ