天线极化测量优化技术

天线的极化通常是指最大辐射方向上电场矢量的空间取向，若电场矢量沿直线取向或者说极化平面（电场矢量与电磁波传播方向组成的平面）对传播方向保持不变时我们称为线极化（其中又分为任意线极化、垂直线极化和水平极化等），若极化平面围绕传播方向以激励频率旋转时称为圆极化，在垂直与传播方向的平面内电场矢量随时间变化的轨迹投影为椭圆称为椭圆极化，而电场矢量的投影为圆则称为圆极化。不同的天线可以辐射不同的极化波，天线按其辐射电磁波的极化形式可分为线极化波、圆极化波等。

工程上常见的各波段中的天线一般都是线极化天线，但是目前变极化天线或圆极化天线也已广泛地应用于雷达抗干扰及电子对抗技术等方面。因为目标的反射特性、电磁波的传播和信号的接收性能均与极化形式有关。

在一般情况下，天线辐射的电磁波在每周期内电场矢量的大小和方向都在变化，故在观察点处垂直于传播方向的平面内通常描绘出一椭圆极化波，线极化和圆极化只是它的两种特殊情况。实际的天线由于结构、制造工艺及安装等因素并不能完全获得所需要的理想极化，所以测量线极化天线方向图时通常要测定其交叉极化方向图；而对圆极化天线，不仅要测定其垂直极化和水平极化的方向图和极化旋向，还要测定其椭圆度（椭圆长短轴之比，简称轴比）、倾角（长轴相对水平极化分量的夹角）、极化图等。同时测量圆极化天线的增益时也需要分别测量水平极化和垂直极化增益，然后根据轴比进行修正，可见圆极化天线的测量要比线极化的测量要复杂得多。本实验主要讨论圆极化天线的极化参数的测量。实验内容如下：

（1）测量螺旋天线的垂直极化分量和水平极化分量方向图；

（2）测量极化图并由极化图确定轴比和倾角；

（3）用比较法测量螺旋天线的垂直和水平极化分量增益，并根据轴比确定该天线的增益。

1）实验原理和方法

实际上任何一种具体的圆极化天线都是辐射椭圆极化波，称为圆极化退化，因此圆极化天线的特性通常退化为椭圆极化的程度来描述，即用极化图、轴比和倾角等参数来表征圆极化天线的性能，极化测量主要是指描述椭圆极化波的各种参数的测量。

在垂直于传播方向的极化平面内，电场矢量末端轨迹所绘出的曲线定义为波的极化。表征椭圆极化的基本参数有三个，即轴比、倾角和极化旋转的方向。椭圆的长轴与短轴之比，定义为轴比，即

沿传播方向看去，电场矢量顺时针旋转称为右旋极化波；反之称为左旋极化波，如图10-24所示。

图10-24　电场矢量旋转图

极化图法可确定待测天线的极化倾角和轴比，但不能直接确定旋向。偶极子天线或其他线极化探测天线在垂直于入射波方向的平面内旋转时，接收电压与转角的关系曲线称为极化图。由于“哑铃形”极化图的长轴和短轴顶端与入射波的极化椭圆相切，因此可确定入射波的轴比和倾角。图10-25是极化图法的测量，图10-26是线、椭圆、圆极化的极化图曲线（虚线）。

图10-25　极化图法的测量

图10-26　极化图

用两副结构相同、旋向相反的圆极化天线作辅助天线，由接收电平较高的那一副圆极化天线的旋向确定为被测天线的旋向。当需要测量天线某个截面轴比的变化时，可采用这种方法。其方法为使辅助线极化天线以收发天线中心连线为轴快速转动，而待测天线在自己的方位面内旋转（旋转的速度远小于线极化天线的转速）；则可测出极化方向图，它包含了方位面内各个方向上待测天线的轴比，但从这个图上得不到极化的旋向和倾角。

2）椭圆极化波的合成

两个频率相同但幅度和相位均不等的线极化波可以合成为椭圆极化波。若两个沿z轴方向传播的线极化波，其中水平极化波在参考面z处的瞬时电场为：

而垂直极化波在该处的电场为：

式中，Exm、Eym分别是水平极化波和垂直极化波的电场幅度，φ是Ey超前Ex的相角。

显然在z=0参考面上的电场为：

由上式可知：

经整理简化后得可得椭圆方程的一般形式：

式（10-18）表明，在垂直于传播方向的任一参考面上，由Ex和Ey合成的电场矢量终端所描绘出的轨迹是一个椭圆。而且两正交场的幅度Exm、Eym和相位差的不同可以得到各种不同的极化形式，其中三种特殊的极化形式为（图10-27）：

图10-27　三种极化波

（1）Ex与Ey同相或反相即φ=nπ（n=1，2，3…）时：

当Ex与Ey同相时m为正，反相时m为负，它表示z=0参考面上合成场为线极化。如果Exm=0就是垂直极化（y方向取向）；Eym=0就是水平极化（x方向取向）；而Exm、Eym不相等时则根据φ和m的不同可组成任意极化，其极化取向与x轴的夹角为τ=arctan m。

图10-28　椭圆极化波的合成

（2）Ex与Ey相位差为即时：

显然此时椭圆的长轴与x轴重合，短轴与y轴重合。图10-28所示。

（3）Ex与Ey相位差为而Exm=Eym=Em时可简化为圆方程：(www.xing528.com)

也就是说当两个正交线极化波的幅度相等、相位差为时合成波是圆极化波。

可见，要获得圆极化波（或线极化波）其一对正交极化分量的幅度和相位必须满足其确定值，否则会产生椭圆极化成分。

图10-29　（a）为沿-z方向传输，顺时针方向旋转，右旋圆极化；（b）为沿z 方向传输，逆时针方向旋转，左旋圆极化

椭圆极化波可以看成有两个旋向相反又不等幅的圆极化波合成的，或者说一个椭圆极化波可以分解为两个旋向相反幅度不等的圆极化波，其中场强分量大的圆极化波的旋向与椭圆极化波的旋向相同，旋向相反的圆极化波成为交叉极化分量，所以圆极化天线的极化特性也可用描述椭圆极化波的一些参数来表示这种天线的特性。如图10-29所示。

3）圆极化天线的特性参数及其测量方法

圆极化天线的特性参数主要有极化图、倾角、轴比、极化分量方向图、增益及旋向等。

（1）极化图

E1与φ的关系为波的极化图，El就是在垂直于传播方向上的平面上旋转的线极化波天线对来波的场强响应，如在x Oy平面内电场矢量在任意方向的瞬时分量为：

再将式（10-22）整理后得：

图10-30　椭圆极化的倾角及轴比

它给出了电场矢量E1在φ方向的最大投影。

（2）倾角τ

椭圆极化波的倾角是指极化椭圆中的长轴OA与x轴的夹角。图10-30、10-31。

图10-31　极化图

（3）轴比

轴比AR是指极化椭圆的长轴OA和短轴OB之比，即

（4）旋向

旋向是指椭圆极化波的电场矢量相对于波的传播方向而言的旋转方向。椭圆极化波有两种旋向，沿传播方向电场矢量E⇀向顺时针方向旋转称为右旋椭圆极化波，而向逆时针方向旋转称为左旋椭圆极化波。

（5）水平和垂直极化分量方向图

对于圆极化天线方向图的测量，由于很难有圆极化发射天线，故一般都是分别测量其水平和垂直极化分量的方向图。

（6）增益

和线极化天线一样，圆极化天线的增益定义为：在输入功率相同时，圆极化天线在主辐射方向的主圆极化辐射功率密度与理想的圆极化点源在相同方向上辐射功率密度之比。显然理想圆极化点源天线是无法实现的，因此，采用与标准增益的线极化天线比较分别测出圆极化天线两正交极化分量的增益来确定圆极化天线的增益。天线增益G和方向系数D之间的关系为G=ηD，η是天线的效率，当天线的损耗很小时，则：

Er（θ0，φ0）为最大辐射方向上主圆极化场的场强幅度。因为任意椭圆极化波均可分解为两个互相正交的线极化波——水平分量和垂直分量。

圆极化天线特性参数的测量方法有综合极化图法和复极化比法等。其中综合极化图法比较简单而且方便，只要有一副极化方向可旋转的线极化天线即可测量极化图、倾角、轴比等极化参数。通常是将线极化天线作为极化方向可旋转的发射天线，待测天线作接收天线，收发天线口径的法线对准时记录下待测天线的接收对发射天线每一旋转角的响应即可测出极化图。极化图的最大值和最小值分别就是极化椭圆的长轴和短轴，从而由极化图即可确定倾角和轴比。若所测出的极化图在极坐标系上为8字形，则极化椭圆是一直线，这表明待测天线是一个线极化天线；当极化图是一个圆，则极化图与极化椭圆重合，这表明待测天线是一个理想的圆极化天线。测量时只要测出发射天线在φ=0，φ=90°位置时的相对场强响应值Exm和Eym值与最大场强和最小场强相应值Emax和Emin以及在最大场强响应时测出线极化天线相对于φ=0方向的夹角ψ就可由这些测量数据计算出轴比AR=Emax/Emin和倾角τ=ψ，若要判别旋向可用两副旋向相反、结构相同的圆极化天线（如左旋和右旋螺旋天线）分别作发射天线，设待测天线接收到左旋圆极化天线的来波相对场强，然后接收右旋圆极化天线的来波相对场强，当AR＞0时待测天线为左旋；AR＜0时待测天线为右旋。测量增益时应先将发射天线的极化方向转到与长轴平行的位置再用另一线极化标准天线测出圆极化天线对应于长轴的线极化增益，然后根据轴比计算出该天线的圆极化增益。测量圆极化天线的水平和垂直方向图时，应根据要求可以测量长短轴极化分量方向图或φ=0°，φ=90°的水平和垂直分量方向图。

4）实验设备和步骤

为了避免测试环境对极化测量的影响，实验最好在微波暗室内进行。

（1）测量极化图

①测量极化图前先要校正收发天线口径面的垂直度及对准口径面的法线轴。垂直度可用铅垂线校正，而法线轴不易采用对电轴的方法，而需要用经纬仪校正，旋转接收天线方位从经纬仪中观察。

②调节本振频率使送到记录仪的信号最大。

③然后使发射天线处于水平极化位置并将发射天线支架的极化旋转同步插头与记录仪上的插座相连接，按下发射支架控制台上的极化启动按钮，发射天线的极化就自动旋转到0°位置（水平）时自动停下，记录仪就描出0°～360°的极化图，由极化图就可确定倾角、轴比。

（2）增益测量

将发射天线的极化旋转到与圆极化天线的长轴平行，用比较法测出长轴线极化的增益，再根据轴比计算出待测天线的圆极化增益。

（3）水平和垂直极化分量方向图测量

将发射天线分别置于水平极化和垂直极化位置，记录仪同步插座与转台方位同步电机插头连接，合上转台控制器的方位控制开关使转台自动旋转，待记录仪描绘出所需方向图后断开方位控制开关，转台即停止转动。断开记录仪方位高压开关，转动走纸滚筒在记录仪上画出已调短线，校正后再绘出方向图的半功率宽度、零功率电平和副瓣电平等。