卫星通信中的交叉极化干扰及其在链路预算中的影响

在卫星通信中存在的主要干扰类型包括：

邻星干扰
互调干扰
交叉极化干扰
邻道干扰

前面我们在

卫星通信中的邻星干扰及其在链路预算中的影响中，我们介绍了邻星干扰；
卫星通信中的干扰及其在链路预算中的影响-互调干扰中，我们介绍了互调干扰；

今天我们介绍卫星通信中的：交叉极化干扰，文章将按照下面的步骤展开：

什么是交叉极化干扰？交叉极化干扰的生成原理，交叉极化干扰举例。
针对交叉极化干扰，工程上有哪些解决方案？
交叉极化干扰，在卫星通信链路预算中需要怎么考虑和取值？

一、什么是交叉极化干扰

1.1 交叉极化干扰的定义

我们首先给出卫星通信中交叉极化干扰的定义：

在采用正交极化进行频率复用（即在同一频率上同时传输两路正交极化的信号）的卫星通信系统中，本来应被接收机完全抑制的"正交极化"信号，由于各种非理想因素（例如天线交叉极化隔离度不够、大气效应、降雨等因素），正交极化信号的部分能量"泄漏"到了当前接收通道中，形成了干扰。这个干扰就是交叉极化干扰。

具体举例来说：

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。即卫星在发射信号时，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）；
或者一路使用左旋圆极化，另一路使用右旋圆极化；
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。

当卫星发射的两路信号频率相同，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，这个被天线接收之后，进入接收机的、来自正交极化（此处是垂直极化）的非期望信号，对主极化信号（此处是垂直极化信号）造成的干扰，就是交叉极化干扰。

1.2 交叉极化干扰产生原理

产生交叉极化的原因主要有3类：

天线设计和制造的限制

无论是卫星上的天线还是地面的天线，都存在馈源不纯和反射面效应等问题。由于馈源不纯，本来产生垂直极化的馈源，不可避免的也会产生微弱的水平极化分量。天线发射面制造工艺的影响，在发射过程中也会产生交叉极化分量。

我们在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提出了天线交叉极化隔离度XPI的概念。当地面天线应该接收水质极化信号的时候，为了抑制交叉极化（水平极化）干扰，地面天线必须具备抑制水平极化信号的能力，这个能力就是交叉极化隔离度XPI。

XPI 值越高，表示系统对正交极化信号的抑制能力越强，交叉极化干扰就越小，系统性能越好。反之，交叉极化的干扰越强，系统性能越差。

如果天线的交叉极化性能不好，会严重影响链路的载噪比指标。

天线指向和对准误差

对于线极化系统来说，地面站天线的极化面必须与卫星来波的极化面严格对齐。如果：

在地面站天线安装过程中，天线未精确对准卫星，极化方向发生了偏移；
在天线对准卫星的过程中，极化角调整出现误差或者错误。

使得：本来天线应对准垂直极化的，由于出现了极化失配，导致一部分水平极化的信号被天线接收到，进入了后端的接收机。

具体计算方法和案例可以参考文章：卫星通信天线极化角偏差对天线增益、交叉极化隔离极的影响。

传播路径中的去极化效应

卫星信号通过大气层时，遇到降雨、冰晶或其他微粒，水平极化分量和垂直极化分量在穿过雨滴时，经历不同的衰减 和不同的相移 ，最终导致原本的线极化信号发生旋转，其正交性被破坏，这就是去极化效应。

下行链路的干扰产生过程可以用下面的图表示：
信号发射发射天线极化不纯大气传播降雨/冰晶引起去极化晴空条件下轻微去极化接收天线极化不纯交叉极化干扰形成接收信号质量下降

1.3 交叉极化干扰的举例

例子1：天线对准误差导致的干扰

天线存在指向误差或者没有完全对准卫星，存在极化角偏差。我们在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通过定性和定量的方式分析过：天线指向和对准卫星中存在的极化角偏差导致的极化失配对卫星通信链路信噪比的影响，举例如下：

理想情况下天线XPI可达35dB以上，但当极化失配角为2°时，XPI下降至约29dB，较理想值下降约6dB，链路载噪比损失＞2.5dB。

例子2：降雨引起的交叉极化干扰

在Ku波段或Ka波段卫星通信中，降雨会引起去极化效应。例如：

某高通量Ka卫星，上下行均采用垂直/水平线极化复用。一个地面站正在接收垂直极化的下行信号。

在卫星发射的信号穿过雨区的过程中，雨滴对水平极化分量的衰减大大于对垂直极化分量的衰减，水平极化信号经过的相位偏移和垂直极化信号经过的相位偏移不同。

这导致卫星发射的信号极化纯度下降，本来应该是纯粹的水平极化和垂直极化信号，到达地面的时候，正交性已经被严重破坏了。

因此，地面站的垂直极化接收通道在接收到期望信号的同时，也会接收到一个由卫星发射的水平极化信号泄漏过来的干扰分量。

这种干扰会导致最终的链路载噪比降低，影响链路通信。

二、工程上的解决方案

2.1 提升天线本身的交叉极化隔离度性能指标

我们在卫星通信天线的极化角定义、计算、与位置和姿态关系和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中详细介绍了：

天线的极化角定义，极化角的计算；
天线交叉极化的定义，什么是极化失配；
天线交叉极化隔离度的定义和影响。

天线的交叉极化隔离度（XPI）是衡量其区分不同极化信号能力的关键指标。高性能天线通过精密的反射面形状、优化的馈源设计以及波纹喇叭等技术，来确保电磁场在主波束方向具有极高的极化纯度，从而最大限度地减少交叉极化分量的产生。

一个高性能的卫星地面站天线，其交叉极化隔离度XPI必须达到30dB、35dB以上。下面是常用的不同类型的天线的交叉极化隔离度XPI指标情况。

2.2 天线跟踪误差对交叉极化的影响

天线跟踪误差直接影响信号的极化对齐。如果天线未精确跟踪卫星，实际天线的极化角和应该的极化角之间存在偏差，天线极化角的偏差跟交叉极化隔离度XPI相关。极化角偏差增大，交叉极化隔离度XPI下降。

还是借用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中的公式：

当极化失配角从1°变成2°的时候，极化隔离度XPI降低了6dB；

当极化失配角从1°变成5°的时候，极化隔离度XPI降低了14dB；

2.3 入网测试

卫星运营商为了维护整个卫星网络的通信秩序，防止一个地面站对使用正交极化的其他用户极生干扰，在入网测试的时候必须对天线的交叉极化隔离度进行测试，只有达到测试标准的地面天线才能获得入网许可。

行业通用的基准要求是，地面天线在轴心上的交叉极化隔离度必须优于 30 dB，高性能天线则被要求达到 35 dB。

对于VSAT（小口径天线），ITU-R S.727-1建议，在线性极化发射频段，轴上同极化增益与交叉极化增益的比率应不低于 25 dB。

三、链路预算中怎么考虑和取值

链路预算中，交叉极化干扰用载波交叉极化干扰比（C/I_XPol,total）表示，该比值定义为有用载波功率与交叉极化干扰功率的比率，单位dB。

工程上，载极交叉极化干扰比（C/I_XPol,total）分为上行载波交叉极化干扰比（C/I_XPol,up）和下行载波交叉极化干扰比（C/I_XPol,down）。

3.1 交叉极化鉴别度XPD

前面介绍了天线的交叉隔离度XPI指标，代表的是天线自身端口间的交叉极化隔离能力。但是我们知道引起交叉极化干扰的不仅仅是天线本身，还包括大气效应、降雨等因素。

在链路预算中，我们最终关心的是一个**"链路级"或"系统级"的总交叉极化比 C/I_XPol**。这个总的 C/I 是天线本身的交叉极化 和大气去极化 （由降雨等引起）共同作用的结果。所以，为了表达整个传播路径中的交叉极化特性，在链路预算中采用了交叉极化鉴别度XPD指标。

交叉极化鉴别率 (Cross-Polarization Discrimination, XPD) 定义为在同一通道中，期望信号功率与泄漏信号功率之比。以垂直通道为例，期望信号就是垂直极化信号，泄露信号就是水平极化信号泄露到垂直极化中的信号。

XPD_V = 期望信号功率 / 交叉极化干扰功率 = 垂直极化信号功率 / 从水平极化通道泄漏到垂直极化通道的那一小部分干扰功率

在工程上，我们可以近似认为：对于天线来说，交叉极化隔离度XPI近似等于交叉极化鉴别率XPD。

3.2 上行载波交叉极化干扰比（C/I_XPol,up）

上行载波交叉极化干扰比（C/I_XPol,up）主要由3个因素决定：

地面天线的交叉极化隔离度XPD_ant,up，
上行路径的大气去极化（雨衰导致）XPD_atmos, up
卫星接收天线的交叉极化隔离度XPD_sat, rx

取值方法：

按照地面站天线的入网规范，卫星运营商规定所有入网VSAT的XPI必须>30dB，因此在链路预算中，地面天线的交叉计划隔离度XPD_ant,up取 30 dB。

卫星接收天线的交叉极化隔离度，根据卫星运营商数据。这个值XPD_sat, rx通常很高**（如>35dB)**。

在晴天的时候，大气的去极化效应可以忽略不计，在雨天的时候必须考虑雨衰的去极化效应。例如，对于Ka卫星通信系统来说，按99.9%可用性，根据 ITU-R P.618 等模型，根据本地降雨率、频率、仰角和极化倾角，计算出"在0.1%时间内，雨衰导致的XPD_atmos, up恶化到20dB左右。

根据公式：

(XPD_total, up)⁻¹ = (XPD_ant, up)⁻¹ + (XPD_atmos, up)⁻¹ + (XPD_sat, rx)⁻¹

XPD_ant, up = 30dB，转成绝对值=1000；

XPD_atmos, up = 20dB，转成绝对值=100；

XPD_sat, rx = 35dB，转成绝对值=3162；

计算得到XPD_total, up = 1 / 0.0113 ≈88.5dB（绝对值）；

上行载波交叉极化干扰比C/I_XPol,up = 10 log10(88.5)≈19.5 dB

结论：在Ka波段雨天，大气去极化（20dB）是上行交叉极化干扰的主导因素。

3.3 下行交叉极化干扰比

下行载波交叉极化干扰比C/I_XPol,down 同样由三个因素决定：

XPD_sat, tx：卫星发射天线的交叉极化隔离度。
XPD_atmos, down：下行路径的大气去极化。
XPD_ant, rx：地面接收天线的交叉极化隔离度。

取值方法：

XPD_sat, tx从卫星运营商提供的XPD等值线图 上，根据地面站的经纬度，精确查出该点的数值。这个值通常在 25 dB 到 30 dB 之间（波束边缘较差，中心较好）。我们假设查到为 27 dB。

XPD_ant, rx从天线的技术规格书中找到，一个1.2m天线的接收XPD > 30 dB。我们取 30 dB。

XPD_atmos, down: 晴天>40 dB）。在雨天的时候必须考虑雨衰的去极化效应。例如，对于Ka卫星通信系统来说，按99.9%可用性，同样使用 ITU-R P.618 模型计算，下行频率20GHz，假设我们下行XPD取值为 22 dB。

根据下面的公式

(XPD_total, down)⁻¹ = (XPD_sat, tx)⁻¹ + (XPD_atmos, down)⁻¹ + (XPD_ant, rx)⁻¹

XPD_sat, tx = 27 dB ≈501（绝对值）

XPD_atmos, down = 22 dB≈158（绝对值）

XPD_ant, rx = 30 dB =1000（绝对值）

计算得到XPD_total, down = 1 / 极.0093≈107.5

下行载波交叉极化干扰比 C/I_XPol,down = 10 × log10(107.5) ≈20.3dB

3.4 举例

某经度是110.5°的卫星，Ku频段，北京地区，上行链路交叉极化干扰C/I取值16.4dB，下行链路交叉极化干扰C/I取值16.9dB。

某经度是100.5°的卫星，Ku频段，南方地区，上行链路交叉极化干扰C/I取值21.2dB，下行链路交叉极化干扰C/I取值22.2dB。