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1、南京邮电大学通信与信息工程学院卫星通信实验报告院 系 通信与信息工程学院 专 业 通信工程专业 班 级 学 号 姓 名 实验一 地面站天线对准卫星的调整 实验二 天线方向图测试 实验三 卫星信号传输测试 实验四 天馈线驻波比和天线端口隔离度测试 卫星通信技术实验室2013年10月21日实验一 地面站天线对准卫星的调整一、实验目的 1掌握地面站天线对准卫星的调整方法2熟悉频谱分析仪的调整和使用二、实验内容 1调整地面站天线对准目标卫星2用频谱分析仪测量卫星信标信号3计算天线极化隔离度三、实验原理1地面站天线对准卫星的方位角、仰角和极化角1) 方位角(AZ)：从接收点到卫星的视线在接收点的水平面上
2、有一条正投影线，从接收点的正北方向开始，顺时针方向至这条正投影线之间的角度称为方位角。2) 仰角(EL)：从接收点仰望卫星的视线于水平线构成的夹角称为仰角。3) 极化角(P )：极化角是由于接收天线所在地位置与卫星所在轨位的经度差及地球曲率的影响，而使天线馈源波导口相对于地面所形成的倾角。方位角、仰角和极化角的示意图如图1-1所示。 图1-1 方位角、仰角、极化角示意图 4）方位角、仰角、极化角计算公式方位角、仰角、极化角是由地面站天线的位置和同步轨道卫星的位置确定的。设地面站经度为e (东经为正，西经为负)，纬度为e (北纬为正，南纬为负)，卫星经度为s (东经为正，西经为负)，方位以正北为
3、零，顺时针方向为正，利用静止卫星和地面站的几何关系，可推出地面站天线对准卫星的方位角AZ、仰角EL和极化角P 的计算公式。当地面站天线位于北半球时，天线对准卫星的方位角、仰角、极化角计算公式为： （1-1） （1-2） （1-3）式中：Re 地球半经（6378Km）；H同步卫星距地球表面的高度（35786km）。2地面站天线的指向和极化角旋向的判定 天线的指向是由计算出来的方位角和仰角确定的，天线的极化旋向是由极化角确定的。一般情况下，方位角都是以正北方向为基准00，顺时针旋转为正，逆时针旋转为负。正东为900，正南为1800，正西为2700。方位角的确定方法：可分为AZ=1800、AZ180
4、0、AZ1800 三种情况。其指向示意图1-2所示。图1-2 方位角指向示意图当AZ =1800时，卫星位于接收站的正南方，天线指向正南。当AZ1800时，卫星位于接收站的东南方，天线指向正南偏东的角度为1800-AZ。当AZ1800时，卫星位于接收站的西南方，天线指向正南偏西的角度为AZ-1800。仰角的确定方法：可分为EL=00，00EL900，EL=900 三种情况。其指向示意图1-3所示。图1-3 仰角指向示意图 当EL=00时，地面站天线的口面垂直于地面，当EL=900时，地面站天线的口面平行于地面。极化角旋向的确定方法：也分为P0，P=0，P0三种情况。极化角调整示意图如图1-4所
5、示。图1-4是当地面站位于北半球时，观察者面向静止卫星时天线极化角的调整示意图。图中列出的是水平极化的情况。垂直极化的调整方法与此相同。 P0 P=0 P0图1-4 极化角调整示意图当极化角P=0时，接收站与卫星同经度，其极化为理想的水平极化或垂直极化。当极化角P0时，天线极化要左旋。所谓左旋，是指观测者面向静止卫星，左手拇指指向卫星时，其余四指握转的旋向。当极化角P0时，天线极化要右旋。所谓右旋，是指观测者面向静止卫星，右手拇指指向卫星时，其余四指握转的旋向。3地面站天线对准卫星的方位角、仰角和极化角调整天线对准卫星的调整，主要是调整天线对准卫星的方位角、仰角和极化角。调整方位角、仰角是使天
6、线对准卫星，调整极化角是使天线极化与卫星发射波的极化相匹配，接收信号最大。1）天线方位角调整首先用罗盘或指南针找到正南方，再调整天线方位调整装置使天线正对正南方。如果计算的方位角AZ大于1800，则调整天线向正南偏西转动AZ-1800。如果AZ小于1800，则调整天线向正南偏东方向转动1800-AZ。2）天线仰角调整首先调整天线仰角调整装置，再用罗盘仪量出仰角，直至天线仰角等于仰角的理论计算值。3）天线极化角调整（1）极化的概念卫星信号的极化有线极化和圆极化两大类。当电场矢量的指向随时间的变化始终是一条直线时，称为线极化（包括水平极化和垂直极化）。当电场矢量的指向随时间的变化是一个圆时，称为圆
7、极化（包括左旋圆极化和右旋圆极化）。（2）卫星发射极化波的极化定义卫星发射极化波的极化定义是以卫星轴系为基准的。卫星运动轨迹近似为圆。当电场矢量方向与卫星所在点的圆的切线方向一致时，卫星发射的信号为水平极化。当电场矢量方向与卫星运动轨道平面垂直时，卫星发射的信号为垂直极化。（3）地面站天线的极化定义地面站天线的极化定义是以卫星接收点的地平面为基准的。当电场矢量方向平行于地面时，为水平极化波。电场矢量方向垂直于地面时，为垂直极化波。天线双工器的接收和发送都是矩形波导。在矩形波导中，电场矢量的方向是垂直于波导宽边的。当矩形波导窄边平行于地平面时，电场也平行于地面，定义为水平极化，传输的是水平极化波
8、。当矩形波导的窄边垂直于地面时，电场也垂直于地面，定义为垂直极化，传输的是垂直极化波。（4）极化角的调整地面站天线的极化调整通常指的是线极化天线的极化调整。当天线接收极化方向与卫星发射波极化方向一致时，接收的卫星信号最大。当天线接收极化方向与卫星发射波极化方向不一致时，接收的卫星信号会变小，产生极化损失。当天线接收极化方向与卫星发射波极化方向正交时，几乎收不到卫星信号，极化损失最大。因为，只要天线的极化方向与卫星发射波的极化方向不一致，就会产生极化失配，极化失配不但会导致接收功率下降，还会在双线极化系统中产生交叉极化干扰。所以，必须调整极化角。调整极化角的目的就是使天线接收极化与卫星发射波的极
9、化方向一致，接收信号最大，减小在双线极化系统中产生交叉极化干扰。调整极化角，就是将天线馈源旋转一个角度，使天线接收极化与卫星发射波极化相匹配。（5）地面站天线极化调整原理 地面站天线极化调整常用的方法有最大值法和最小值法。其原理分别为： 最大值法：首先调整天线对准卫星，再用频谱分析仪接收卫星信标信号。调整待测天线双工器的极化角，使频谱仪接收的信号电平最大，即天线极化与卫星极化一致。由于线极化馈源的近峰值角度范围比谷值宽，因此确定峰值点的最好方法是：找出比峰值下降3dB点的位置，然后利用插入法找出峰值点，确定峰值位置，在峰值位置上接收的信号电平最大。最小值法：该方法的出发点是调整待测天线极化与卫
10、星极化正交，使天线接收的信号电平最小，然后将天线极化旋转900，使地面站天线极化方向与卫星来波极化方向一致，从而达到极化匹配的目的。四、实验仪器及实验框图本实验采用Ku频段0.9米便携站天线对星调整。实验原理框图如图1-5所示：图1-5 便携站天线对星调整原理框图。图中：卫星用来向地面站发送信标信号。卫星信标信号是表征卫星存在和特征的一种特殊信号，是由卫星发射的一个频率和幅度固定的信号。信标信号主要用于地面站天线对准卫星的调整和自动跟踪，为地面站搜索、测量、跟踪卫星提供依据。天线用来接收卫星信标信号，双工器将接收信号和发射信号分开，保证收发互不干扰。LNB是低噪声下变频器，将接收下来的卫星信标
11、信号进行低噪声放大和下变频。直流电源给LNB供电，使LNB正常工作。频谱仪用来测量卫星信标信号电平的大小，确定天线是否准确对准卫星。用频谱仪测量卫星信标信号时，要设置频谱仪的工作频率。频谱仪工作频率 = 卫星信号下行频率一LNB本振频率。 LNB本振频率为：11.3 GHz。天线伺服控制器用来调整天线对准卫星。选定目标卫星后，天线伺服控制器根据卫星的经度和天线所在地的经纬度，自动算出天线对准卫星的方位角、仰角和极化角，驱动方位、俯仰和极化电机转动，使天线对准卫星。 五、实验步骤 1按图1-5连接测量系统，并使系统工作正常。 2确定目标卫星和信标信号，目标卫星选鑫诺一号，信标信号选垂直极化，频率
12、为12.260GHz。 3设置频谱仪工作频率为卫星下行频率一LNB本振频率=12.26 GHz -11.3 GHz = 960MHz。 4调整天线伺服控制器对星调整参数使天线对准卫星 41调整方位角，使频谱仪接收的信号电平最大，此时，天线在方位方向上准确对准卫星。 42调整俯仰角，使频谱仪接收的信号电平最大，此时，天线在俯仰方向上准确对准卫星。43调整极化角，使频谱仪接收的信号电平最大，此时，天线极化与卫星发射波极化相匹配。 5用频谱仪测量正极化（垂直极化）卫星信标信号，记录测试电平。 6用频谱仪测量反极化（馈源旋转900后再测垂直极化）卫星信标信号，记录测试电平。7计算天线极化隔离度。天线极
13、化隔离度等于天线接收的正极化信号电平天线接收的反极化信号电平，单位为dB。六、实验数据实验数据如表1-1所示：表1-1天线对准卫星调整测试数据表实验项目实验数据实验仪器设备Agilent E4408B频谱分析仪Ku频段0.9米便携式卫星通信地球站设备天线对准的卫星卫星名称： 鑫诺一号经度：110.50E/天线所在地经纬度经度： 118.780纬度：32.040/天线对星角度AZ： 195.30EL： 52.10P：-12.960频谱仪测量卫星信标信号卫星信标极化方式垂直极化/卫星信标频率 (GHz)12.26/LNB本振频率 (GHz)11.30/频谱仪工作频率 (GHz)0.96/正极化信标信号电平(dBm)-69.75/反极化信标信号电平(dBm)-93.88/天线极化隔离度 (dB)24.13/七、思考题1地面站天线对准卫星的调整主要调整什么？ 答：方位角、仰角、极化角 2怎样确定地面站天线对准了目标卫星？答：由天线所在地的经度、纬度以及卫星的经度可算出天线对准卫星的方位角、仰角和极化角。3为什么要调整天线极化？答：极化角是指由于接收天线所在地位置与卫星所在地经度差的加大及地球曲率的影响，而使天线馈源波导口相对于地面所形成的倾角。4天线双工器接收端口矩形波导的窄边平行于地平面时，接收的是什么极化的卫星信标信号？答：垂直极化实验二 天线方向图测量一、实
