圆极化基本理论

1、毫米波圆极化微带天线的研究 圆极化波的产生： 微带天线中存在何种模式完全取决于贴片的形状和激励模型 ，当馈电点位于贴片的对角线上 时,天线中可以同时维持乃订。和刀怀。模 ，两种主模同相且极化正交，结果导致辐射波的极化 方向与馈电点所在对角线平行，单点馈电的准方形贴片、方形切角贴片和四周切有缝隙的方 形贴片天线等均可以辐射圆极化波。 用微带天线产生圆极化波的关键是产生两个方向正交的 幅度相等的，相位相差”的线极化波。当前用微带天线实现圆极化辐射主要有几种方法一点 馈电的单片圆极化微带天线正交馈电的单片圆极化微带天线由曲线微带构成的宽频带圆极 化微带天线微带天线阵构成的圆极化微带天线等等。 圆极化

2、波的性质： 根据天线辐射的电磁波是线极化或圆极化 ，相应的天线称为线极化天线或圆极化天线。圆极 化波具有以下的性质 (1) 圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场。 即沿其传播方向看去，波的瞬时电场矢量的端点 轨迹时一个圆。若瞬时电场矢量沿产波方向按左手螺旋的方向旋转 ，称之为左旋圆极 化波，记为LCP(Left-Hand Circular Polarization);若沿传播方向按右手螺旋旋转，称之为 右旋圆极化波，记 RCP(Right-Hand Circular Polarization)， (2) 一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。由此 实现圆极化天线的基本原理

3、就是产生两个空间上正交的线极化电场分量 ，并使二者 振幅相等，相位相差度。 (3) 任意极化波可以分解为两个旋向相反的圆极化波。 作为特例，一个线极化波可以分解 为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此 ，任意极化的来波都可由圆极化天线收 到反之，圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线收到。 这正是在电子侦 察和干扰等应用中普通采用圆极化波的原因。 (4) 天线若辐射左旋圆极化波，则只接受左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波反之 ，若天 线辐射右旋圆极化波，则只接收右旋圆极化波。这称为圆极化天线的旋向正交性。其 实,这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。 在通信和电子对抗等应用中的广

4、泛利用这个性质。例如国际通信卫星号上的多波束发射天线辐射右旋圆极化波 ，形成 两个东、西“半球波束”同时也辐射左旋圆极化波 ，形成两个照射不同地区的“区域 波束”，这四个波束都工作于频段而互不干扰 ，从而实现四重频谱服用，增加了通信容 量。 (5) 圆极化波入射到对称目标如平面、 球面等时，反射波变成反旋向的，即左旋波变成右旋 右旋变成左旋。双圆极化微带阵列天线及高增益圆极化微带天线的设计 波的极化： 波的极化是指无线电波的电场矢量的极化。 在空间某点，沿着波的传播方向观察，电场矢量 的场矢量端点的运动轨迹的形状、 取向和旋转方向定义为单一频率的电场矢量的极化。 根据 场矢量端点运动轨迹的不同

5、， 电磁波有线极化、圆极化和椭圆极化三种极化类型。 下面分别 说明三种极化类型。 设一沿着z轴传播的无衰减均匀平面波，其瞬时电场表达式为： ， A 在垂直于传播方向的平面内，将 E(z,t)分解为两个相互垂直的分量，即： E(ztt) = x Ex (zj)+y Ey(zJ) 由式(2-1)和式(2-2)可得： 件、(W) = Re 所止)=| & | cos(以 + 如 + 夜) J E&, 0 = Re 孩 = |月cos(如+欢+妇 式中，Exm 一电场的x分量的复振幅值，Eym 一电场的y分量的复振幅值；Fx电场的x 分量的初始相位，Fy一电场的y分量的初始相位。 当=

6、 N. 上+ 2引，JT T f右旋) (M) 时，合成场振幅为 (2-7) 合成场矢量勺_r轴买的; 如图2.2所示，电场矢量端点在垂直于传播方向的平面内的轨迹是圆。沿着波的传播方向 观察，电场矢量顺时针旋转，就是右旋圆极化波；电场矢量逆时针旋转，就是左旋圆极化波。 (a)右旋园极化 (b)左旋圆极化 图22网极化波的两种状态 圆极化波的性质： 辐射或接收圆极化波的天线称为圆极化天线。圆极化波具有以下性质。 (1) 圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场，即，沿着传播方向看去，波的瞬时电场矢量端点运 动轨迹是一个圆。沿着波的传播方向看去，电场矢量顺时针旋转，称为右旋圆极化波， 记为 RHCP(Rig

7、ht-Hand Circular Polarization);电场矢量逆时针旋转，称为左旋圆极化波 记为 LHCP(Left-Hand Circular Polarization)o (2) 一个圆极化波可分解为两个在空间上和时间上均正交的等幅线极化波。因此，圆极化大 线实现的基本原理就是：产生两个空间上正交的线极化分量，并使二者振幅相等，相位 相差90 。 (3) 任意线极化波均可分解为两个振幅相等、旋向相反的圆极化波。因此，任意线极化来波 都可以由圆极化天线接收。反之，圆极化大线辐射的圆极化波也可由任意线极化的大线 接收。圆极化波的这个特性广泛应用于电子侦察和干扰中。 (4) 天线若辐射左

8、旋圆极化波，则只接收左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波；反之，若天 线辐射右旋圆极化，则只接收右旋圆极化波。这称为圆极化天线的旋向正交性。其实， 这一性质就是发射和接收天线之间的互易定理。 在通信和雷达的极化分集工作和电子对 抗等应用中广泛利用圆极化波这一性质。 (5) 圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时，反射波的旋向发生反转，即左旋波变 右旋波，右旋波变左旋波。利用这一性质制作的圆极化大线能抗雨雾干扰。因为水点近 似呈球形，对圆极化波的反射是反旋向的；而雷达目标(如飞机、导弹等)一般是非简 单对称体，它对于圆极化波的反射波是椭圆极化波，故具有同旋向的圆极化成分。 圆极化微带天线的理论和

9、实验根据空腔模型理论，微带片与接地板之间的Z向电场(见图1 )可用模函数虹的展开 式来我示【气 (1) w程钏FF 这里m为偕振模的统一序号，设按谐振频率高低为序；如为自由空间波数，火为自由空向波 阻抗，为第巾模的谐振波套、J 是z向激励电流，是锥电位置(*,矿)的函数， 4 =如1/(】一，(5.“)2知1/ e,(l jd“r/2) (3) k = A + jr (4) k =虹丁 (5) 妃=一知怀？心/2 = -A“2Q (6 ) 式中 J 为基片的相对介电常数，九”为等效损耗角正切，Q为天线品质因数，它可由计鼻 或测试得出， 天线在远区(k,Q 函处的辐射场 Ejk.kxF (7) = /(22?)6- * 02 x 分戏心5。2”待“乃 (8) 式中介是贴片周边c的外法线单位矢置，2是z向单位矢员. 当激剧频率在某m模谐振频率附近时，该模将比所有其蚀损都明缺地强锵多，对潴微带 天线尤其如此。今设该摸在2轴方向(。=。)的远区临射场沿=向利用式(1)、(2)、(7), (8),它可表为 _ 矶=，虹已 = %如S,y)/(妙一妒 Q (9) 此时若稣 5 与稣接近，而Lka,刷m+1模可疏同样地被激励，而其极化与而1 正交，即有 F, = j 知已“ 9 = SH，如小(,矿)/(-律2) (10) 则此二正交极化的比值为 E, _久.溯2(多，y) A