Повышение эффективности разделения одночастотных сигналов с эллиптической поляризацией с помощью управления фазированной антенной решеткой

Аджемов Сергей Сергеевич – доктор технических наук, профессор факультета Радио и телевидения Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ).

Репинский Владимир Николаевич – кандидат технических наук, доцент факультета Радио и телевидения Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ).

Аннотация: Представлены результаты дальнейшего развития теории приема различно поляризованных волн на антенну представляющую собой фазированную решетку с управляемой поляризационной характеристикой. Показано, что возможно существенное повышение помехоустойчивости сигналов с поляризационной манипуляцией при применении гармонического пилот-сигнала, расположенного на краю полосы спектра сигнала.

Ключевые слова: Обыкновенная волна, необыкновенная волна, поляризация эллиптическая и круговая, плоскость поляризации, пилот-сигнал, интерференция, помехоустойчивость.

Поляризационные различия, по-видимому последняя возможность уплотнения пространства сигналов, не могут быть столь же эффективными как частотные или временные из-за эффектов деполяризации, вызванного интерференционными механизмами многолучевого распространения волн. Однако распознавание сигналов при приеме можно существенно улучшить, применив управление поляризационной характеристикой антенны для различения волн с круговой или эллиптической поляризацией противоположного вращения электрического вектора.

Использование поляризационной модуляции в космической связи впервые упоминается в [1]. Практические разработки в этом направлении идут и в настоящее время, в основном, в направлении развития многопозиционных систем и совершенствования приемных антенн [2].

При распространении волн между подвижными объектами, в открытом космосе в том числе, меняется угол между плоскостью падения волны и плоскостью расположения ортогональных антенн для приема компонент с правым и левым вращением. Это изменение приводит к появлению переходных помех, переходу энергии правой и левой составляющих на вибраторы соседних антенн. Если информация, передаваемая обеими волнами одинакова, то такое несоответствие принципиального значения не имеет, однако в противном случае приводит к ухудшению помехоустойчивости.

Аналогичная проблема имеет место и в случае применения вращающейся приемной антенны [3,4], используемой для частотного разнесения волн с правым и левым вращением электрического вектора.

Подстройка антенных систем изменением плоскости их расположения – обязательное условие эффективного использования сигналов с поляризационной модуляцией. Для реализации системы автоматической коррекции положения плоскости расположения приемной антенны необходима минимизация сигнала ошибки. Выделить этот сигнал и использовать его можно лишь в системах передачи, в которых волны с правым и левым вращениями электрического вектора имеют значимые различия. Эта задача представляет наибольшую трудность в системах декаметровой ионосферной радиосвязи, где такие волны образуются в результате двойного лучепреломления и в системах с двухпозиционной поляризационной модуляцией, где содержательное различение невозможно. В таких случаях можно воспользоваться методом минимизации суммарных мощностей в каналах разделения волн с прямым и обратным вращением вектора Е.

Модель системы приема на вращающуюся антенну двух волн с противоположными вращениями вектора Е предложена в [3]. Выражение для напряжения на выходе вращающейся антенны (вращение может быть как механическим, так и электронным, путем периодического переключения нескольких вибраторов), приведено ниже. В [3]: - угол между плоскостями падения волны и антенной системы приемника, - угловая частота вращения антенны; и - большая и малая полуоси эллипса вращения антенной системы, если они равны – антенная система вращается по кругу. Здесь следует отметить, что вращение антенны по эллипсу осуществляется путем кругового вращения и синхронной электронной регулировкой коэффициента усиления антенны. , и большая и малая полуоси эллипсов поляризации волны с правым (+) и левым (-) вращением вектора Е; - угловая частота модуляции сигнала (при использовании угловой модуляции); - угловая частота несущего колебания волны.

 

При гармонической модуляции сигнала по частоте или фазе, спектры поляризационно-ортогональных сигналов, принятых на вращающуюся (также по кругу) антенну, перемещаются, в соответствии с квазидоплеровским эффектом [1] переноса частоты (рис.2).

Если же в процессе передачи из-за свойств среды (анизотропность ионосферы) или переотражений каких-либо объектов на трассе распространения происходит изменение поляризации с круговой на эллиптическую, то энергия волны переносится не только на разностную, но частично и на суммарную частоту (для волны с противоположным вращением вектора Е наоборот).

Рисунок 1.

Если поляризация одной из волн круговая, а другой эллиптическая, то при круговой поляризации антенны перенос спектров на нижнюю и верхнюю частоты происходит, но возникают переходные помехи. Представляет практический интерес эффект несимметричности такого перехода: от волны с поляризацией такой же, как у антенны, переходной помехи на волну с другой поляризацией нет. А от второй (эллиптической) есть (рис.2)

Рисунок 2.

Аналогичная картина наблюдается, если поляризации антенны совпадает по параметрам и ориентации с эллипсом поляризации одной из волн таким образом, что проекция траектории электрического вектора волны на плоскость траектории вращающейся антенны круг – тогда именно от этой волны нет переходных искажений на вторую волну. Это позволяет осуществлять поляризационную селекцию волн, имеющих одну частоту, но распространяющихся по разным путям.

Реализация такого способа селекции волн предполагает настройку приемной антенны изменением расположения плоскости поляризации: то есть подмтройка производится таким образом, чтобы траектория одной из волн проецировалась на плоскость поляризации антенны окружностью (рис.3).

Рисунок 3.

Получить сигнал ошибки, по которому можно произвести подстройку положения антенной системы (совмещение проекции на апертуру антенны эллипса поляризации волны – рис.3), как это видно из рисунка 2, невозможно ввиду совмещения спектров волн с левым и правым направлением вращения электрического вектора. В системах, когда каждая из них несет свою информационную нагрузку и принимается отдельно, в одну из них можно добавить пилотный узкополосный сигнал, уровень нелинейного продукта которого, возникающего из-за вращения приемной антенны, можно минимизировать изменяя параметры апертуры антенны в трех измерениях.

Математическая модель системы с пилотным гармоническим сигналом имеет вид:

Здесь - амплитуда пилотного гармонического колебания, - его частота, и - большая и малая полуоси эллипса поляризации пилотного волнового колебания. Важно, чтобы величины полуосей пилотного сигнала с точностью до постоянного множителя соответствовали полуосям одной из волн, относительно которой минимизируется величина невязки (амплитуда нелинейного продукта преобразования пилот-сигнала).

На рисунке 4 показаны спектры преобразованных вращающейся антенной волн при неоптимальном положении поляризационных эллипсов волны (4а) и оптимальном (4б). Как видно, измеряя в узкой полосе мощность нелинейного продукта преобразования пилот-сигнала, можно подобрать оптимальное положение антенны и минимизировать взпимное влияние волн, обеспечивая тем самым эффективную частотную фильтрацию поляризационно-ортогональных сигналов.

Выигрыш от применения пилот-сигнала заключается в том, что благодаря частотному разнесению можно измерять уровень продуктов нелинейного преобразования в приемной антенне и принимать соответствующие меры для его минимизации.

а)

б)

Рисунок 4.

Список литературы

1. Камнев Е.Ф., Петрович Н.Т. Вопросы космической радиосвязи. М., «Сов. Радио», 1965.
2. Пустовойтов Е.Л. (RU) Способ многополяризационного уплотнения радиочастотного спектра в радиосистеме. : Авторское свидетельство //2609595
3. Аджемов С.С., Репинский В.Н.Селекция расщепленной ионосферной волны с помощью вращения поляризации приемной антенны. // Телекоммуникации и транспорт. - 2018. - Т.12 - №1. - С. 4-8.
4. Аджемов С.С., Репинский В.Н. Локация деполяризованной волны. // Телекоммуникации и транспорт. - 2018. - Т.12 - №6. - С. 4-8.