圆极化天线测量问题.docx

椭圆极化天线测量问题
1、 电磁波的极化
由于电场与磁场有恒定关系，通常以电场矢量端点轨迹的取向和形状来表示电磁波的极化特性。电场矢量方向与传播方向构成的平面称为极化平面。电磁波的极化方式有线极化、圆极化和椭圆极化。电场矢量恒定指向某一方向的波称为线极化波，工程上常以地面作参考，电场矢量平行于地面的称为水平极化，电场矢量垂直于地面的称为垂直极化。若电场矢量存在两个不同幅度和相位相互正交的坐标分量，则在空间某给定点上合成电场矢量的方向将以场的角频率旋转，其电场端点的轨迹为椭圆，这种波称为椭圆极化波。当两个正交坐标分量具有相同振幅相位差90度时，椭圆变成圆，此时的波称为圆极化波。
天线辐射场通常是椭圆极化场，理想线极化和圆极化是很难实现的，它们总存在主极化（例如垂直线极化或右旋圆极化）和交叉极化（相应的是水平极化或左旋圆极化）。
轴比是衡量圆极化天线性能的重要指标，轴比定义为电场强度的极化椭圆长轴与短轴之比，如图1
AR=ab (1)
用分贝表示
ARdB=20logab (2)

图1 电场矢量在空间随时间变化描绘的极化椭圆

通常，在天线的主波束最大方向轴比较好，偏离主瓣轴比恶化，尤其在大角度旁瓣区域，几乎变为线极化，如图2。圆极化天线辐射方向图测试必须考虑这一因素。
圆极化天线辐射电磁波旋向定义：观察者顺着电磁波传播方向看去，顺时针旋转为右旋，反时针旋转为左旋，如图3。

图2 不同辐射方向的椭圆极化天线的极化特性

图3圆极化波的旋向

2、极化效率或极化损失
如果发射天线与接收天线的极化不匹配，将有极化损失，用极化效率 Γ 来衡量极化匹配程度
Γ=ru 2+1rs2 +1±4rurs+ru 2-1rs2 -1cos2(θs-θu)2ru 2+1rs2 +1 ，Γ≤0 （3）
其中ru,rs分别是被测天线和辅助天线的轴比（电场强度比），θu,θs分别是被测天线和辅助天线的倾角。
当被测天线和辅助天线极化反旋时，（3）式中取负号，当被测天线和辅助天线倾角一致时，极化效率 Γ最大；当被测天线和辅助天线极化倾角正交时，极化效率 Γ最小。
当辅助天线为理想圆极化时，（3）式简化为
Γ=1ru 2+1 （4）
极化损失
α=10log⁡(ru 2+1) （5）
由（4）式可计算不同轴比时极化效率

表1辅助天线为理想圆极化时被测天线不同轴比对应的极化损失
轴比（dB）
0.0
3.0
5.0
10
15
20
25
30
极化损失（dB）
0.0
4.76
6.19
10.4
15.1
20
25
30

由表1可知，用圆极化标准天线测量椭圆极化天线增益（或方向图）时，在主波束最大值方向，两者几乎为理想圆极化，增益测量结果是正确的。否则，由于存在极化损失，须用线极化天线测量后计算。
当辅助天线（或标准天线）为线极化时，（3）式的极化效率 Γ简化为
Γ=ru 2+1+ru 2-1cos2(θs-θu)2ru 2+1 （6）
或者极化损失
α=10log2ru 2+1ru 2+1+ru 2-1cos2(θs-θu) （7）
我们讨论辅助天线为线极化的情况。设被测天线辐射非理想的右旋圆极化波，可以看成一个右旋和一个左旋圆极化波的合成，如图4。

图4非理想的右旋圆极化波

3、圆极化天线的增益测量
有两种方法得到被测椭圆极化天线的增益。
（1） 由两个正交分量功率合成
设两个正交线极化增益（功率值）分别为GH，GV，合成的圆极化增益为
GC=GH+GV （8）
或者 GC(dB)=10log⁡(GH+GV )
（2） 由极化椭圆的长轴增益加修正因子
GCdB=GLdB+20log12(1+1ru) （9）
由（9）式可计算修正因子如表2。

表2 不同轴比时圆极化天线增益的修正因子
轴比（dB）
0.0
3.0
5.0
7.66
10
15
20
25
30
修正因子（dB）
3.0
1.64
0.87
0
-0.62
-1.59
-2.18
-2.53
-2.74

4、圆极化天线方向图测量
天线方向图描绘天线辐射能量空间分布。任何圆极化天线的辐射场都不会在4π立体角内具有理想圆极化特性，与之配合的另一天线（比如作为接收天线）或为圆极化，或为线极化，均不可能在整个4π立体角内将它的圆极化的全部分量均获取，必然有极化损失，因此，圆极化天线方向图测量不能采用像增益测量方法那样，测量其两个正交分量合成，而应该根据实际使用条件，或者用圆极化或者用线极化天线作为辅助天线，与使用条件一致，允许存在极化失配带来的损失。