天线测量第五章

极化测量极化测量椭圆极化波的合成与其参数椭圆极化天线参数的测量图解法测量技术复极化比的测量椭圆极化天线增益的测量极化传输损失的确定测量误差极化极化和场的振幅、相位一样也是表征电磁场基本特征的物理量。在电磁波的传播过程中，无论场的振幅、相位或极化都可以包含有信息量，因而可以用来传递信息。圆极化的利用雷达利用圆极化天线来实现反云层、雨雪的干扰，气象雷达利用雨、雹等的散射极化响应不同来识别目标性质；飞行体上常用圆极化天线来提高通讯的可靠性，在剧烈摆动或滚动的飞行器上装置圆极化天线，可以在任何状态下都能收到信息；[双方为圆极化，或一方为圆极化]在卫星通讯中，为了增加分配的无线电领带中信道的数目，对邻近通道，使用高纯度的正交线极化天线来达到极化鉴别，缩短所需的频率间隔；[极化隔离频率复用]在电视广播中采用圆极化天线，可望克服重影；在天文、航天通信及遥感遥测设备中采用圆极化天线，除可减小信号漏失外，还可能消除由电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变影响。极化天线的极化特性就成了某些天线设计和检验的一个重要方面。掌握极化的基本理论和测量天线极化特性的方法是从事天线工作必备的知识和技能。

线极化、圆极化、椭圆极化，前两种为后一种的特殊形式。

椭圆极化波可以分解为两个同频线极化波，可以分解为两个同频反旋向的圆极化波；反之，也可以合成椭圆极化波。线极化波椭圆极化波圆极化波极化测量主要是椭圆极化波各参数的测量椭圆极化波的合成与其参数两个线极化波合成椭圆极化波z=0的平面

椭圆极化波的合成与其参数一般化椭圆方程1.Ex与Ey同相或反相直线方程结论：当两个线极化波同相或反相时，其合成波是一个线极化波E1=0，m=+1E1=E2，σ=π，m=-1椭圆极化波的合成与其参数2.Ex与Ey相位差±90°椭圆方程3.Ex与Ey相位差±90°，且E1=E2圆方程E1=E2椭圆极化天线的主要参量天线的极化特性，目前大多数都采用轴比AR、倾角τ和旋向三个参数来评定，因此测量天线极化参数的任务就是用直接或间接的方法来确定这三个参数由于天线辐射场是有方向性的，因此其极化特性也具有方向性，r=r(θ,φ),τ=τ(θ,φ)多数情况下，天线极化参数的测量主要是针对天线特定方向(θ,φ)来进行，比如天线主波束最大辐射方向，或主波束半功率点方向等等，但有时也希望了解一定立体角范围内的天线极化特性，即极化方向图。极化图函数展开整理平方项展开，并利用倍角公式Eφ与φ的关系即为极化图倾角椭圆极化波的倾角是指极化椭圆的长轴OA与x坐标轴之间的夹角τ椭圆极化波的极化椭圆之长轴和短轴分别与新坐标系x’y’重合，此项为零轴比椭圆极化波的轴比是指极化椭圆的长轴与短轴之比。用AR表示。标准的椭圆方程旋向说明以圆极化波为例n为偶数情况n为奇数情况旋向说明右手螺旋顺时针右旋反之则左旋椭圆极化波的电场矢量E的旋转方向称为旋向，可以顺时针方向旋转，也可以反时针方向旋转两个反旋向圆极化波合成椭圆极化波椭圆极化波可以看成是两个旋向相反的圆极化波合成的结果两反旋向圆极化波两圆极化波的振幅相等两圆极化波振幅不等其中之一个的振幅为零两个反旋向圆极化波合成椭圆极化波两圆极化波的振幅相等当两圆极化波的振幅相等时，合成波就是线极化波取向由两圆极化波之间的相位关系确定两圆极化波的场强矢量E在y方向同相，因此，合成波是垂直极化。两个反旋向圆极化波合成椭圆极化波当两圆极化波振幅不等时，合成波就是椭圆极化波右旋圆极化波的振幅是左旋圆极化波振幅的两倍。由于这两个反旋向圆极化波的电场矢量在y方向时同相，故极化椭圆的长轴在垂直方向，而短轴则在水平方向。合成椭圆极化波的旋向与振幅较大的圆极化波相同，在此实例中就是右旋椭圆极化波两个反旋向圆极化波合成椭圆极化波两圆极化波中之一个的振幅为零时，合成波就是与另一个圆极化波一样的圆极化波说明令右旋圆极化波电场矢量左旋圆极化波电场矢量两反旋向圆极化波之间的相位差则合成波之瞬时x分量和y分量将分别是矢量和的实部和虚部椭圆方程极化与E1，E2及δ之间的关系前面的分析已经看到合成波的极化特性取决于两正交线极化分量的振幅E1，E2及及它们之间的相位差δE1E2E1是Ex的幅度E2是Ey的幅度椭圆极化天线参数的测量要满足天线测量的一些共同要求外，还要注意以下事项(1)极化参数都是在一定坐标系中定义的，因此进行极化测量必须准确标定坐标系统。坐标选择要符合定义，并和计算公式相一致，待测天线和辅助天线间必须选用统一的坐标系。(2)要求在无反射条件下进行测量。多路径效应虽然在天线的其它测量中也是有害的，但对极化测量的精度影响最大，这是因为物体对电波反射的大小和相位，跟极化状态有密切关系。(3)除三天线绝对法外，所有极化测量方法都要求事先提供一副或多副已知极化参数的辅助天线来作基准，因此选择基准天线及对基准天线的极化参数进行校准是极化测量的必备条件之一。

此外在测试设备方面要求转台要有三个自由度，即除方位、俯仰可以自由旋转且附有精确刻度外，还要求天线能绕本身的机械轴旋转，且附有精确刻度。极化图法这是一种最简便、直接而常用的方法，该法通常用线极化辅助天线测出轴比AR和倾角τ，用两副反旋圆极化天线(比如螺旋天线)来确定旋向。椭圆极化线极化圆极化线分量法相位差，它可以用测量线法或电桥法来测取右旋圆极化左旋圆极化极化椭圆的倾角轴比线分量法一线分量法线分量法二另一方法是测取多个线分量的场强响应，而不需进行相位的测量，就能得到待测椭圆极化天线各参量。水平位置垂直位置对角线对角线波的极化图圆分量法轴比AR＞0，待测天线为右旋向AR＜0，待测天线为左旋向待测天线极化椭圆的倾角可以仿照极化图法，用一个可旋的线极化天线寻找最大场强响应方向来确定。综合法综合法则只需一副可旋线极化天线就可以测得轴比、倾角、旋向等全部圆极化参数。用极化图法测取待测椭圆极化天线的极化图得到φ=0°和φ=90°位置时的相对场强响应E1和E2最大场强响应时，线极化天线相对于水平方向的夹角φ1最大场强响应和最小场强响应值Emax和Emin轴比倾角左旋右旋δ和τ的判断δ和τ值有双值特性2τ及δ

所有象限分子符号分母符号第一象限++第二象限+-第三象限--第四象限-+0º0+90º+0180º0-270º-0椭圆极化天线增益的测量一个椭圆极化波可视为两正交线极化或两正交圆极化波（即两旋向相反的圆极化波）所组成，故一个椭圆极化天线增益有总增益和部分增益之分。总增益为：部分增益线极化分量长轴增益线极化分量短轴增益两正交线极化两正交圆极化要求圆极化的部分增益正交圆极化的部分增益比较法测量椭圆极化天线增。但由于无法找到一个各向均匀辐射的圆极化天线作比较标准，或者做一副纯圆极化标准增益天线困难较大，因此，一般仍采用线极化天线作比较标准天线，这样测得的实际上是部分增益GL1,需要加修正因子圆极化分量法长轴方向的线极化功率右旋圆极化功率修正因子具体方法测长轴增益测轴比查图表得K1（由轴比）计算总增益（等效圆极化总增益）线极化分量法椭圆极化波可以分解为两个正交的线极化波，可分别求出待测椭圆极化天线相对于两正交线极化标准天线的增益，然后再据此求得椭圆极化天线的等效圆极化增益测长轴（归一化至0dB）测短轴（归一化）查表得K（由短轴归一化）计算极化传输损失的确定增益换算实际上是确定极化传输损失，只不过仅指线极化与圆极化之间的传输损失。收、发天线均为椭圆极化天线时，接收天线中感应的电压为常数发射天线的轴比接收天线的轴比收发天线极化椭圆长轴间夹角收发天线的旋向相同，则取正号若旋向相反，则取负号发、收天线均为纯圆极化（旋向相同时）0（旋向相反时）旋向相同时纯圆极化天线感应的最大电压极化传输损失的确定旋向相同时纯圆极化天线感应的最大电压为归一化圆极化分量表示椭圆极化接收天线中所感应的归一化电压为发射天线的右旋和极化分量振幅发射天线的左旋和极化分量振幅接收天线的右旋和极化分量振幅接收天线的左旋和极化分量振幅极化传输损失的确定收、发天线均为右旋圆极化无极化损失的最大传输条件收、发天线均为左旋圆极化天线无极化损失的最大传输条件一方为左旋圆极化，一方为右旋圆极化最大极化损失条件或收、发双方均为椭圆极化极化损失大小则与两天线的轴比和倾角有关极化传输损失的确定最小极化损失最大极化损失同旋向极化损失曲线极化传输损失的确定反旋向极化损失最小极化损失最大极化损失测量误差讨论在极化测量中，分析可能发生的误差，要比极化问题本身复杂得多，本章不可能全面讨论这些误差的分析。关于极化误差分析的方法也还主要是用极化的基本理论即潘卡球、极化盒。斯托克斯参数等概念为基础。

极化测量的误差来源(1)极化标准的校准误差；

(2)基准天线的极化误差；

(3)幅度测量误差，包括标度误差和非线性误差；

(4)测相误差，包括设置正确的相位参误差和非线性误差；

(5)有外来干扰信号时对测试的影响；

(6)转台系统(三个自由度)的读数误差及坐标系统轴对不准误差；

(7)由一组极化参数换算为另一组参数时的计算误差；

(8)在计算或操作中，由于对极化旋向或倾角判定的疏忽而发生的错误。由于极化标准的校准误差而引起的测量误差假定极化标准是经过校准的线极化天线，极化测量的误差将由极化标准的轴比和倾角测量而引起。倾角误差直接由于倾角测量而产生，比如坐标基准线误差，转台角度读数误差等。轴比的误差取决于测量方法但误差量级是相似的。

由于标准天线不是理想线极化而引起的轴比测量误差，可能有两种情况，即待测天线与标准天线之间极化同旋向或反旋向时，以反旋向时误差大，所以我们就按最大测量误差来进行研究，最大误差定义如下：Є（dB）=20lg（ARm/AR)=Arm(dB)-AR(dB)设ARS为标准天线的实际轴比值，在待测天线与标准天线之间进行收发工作，待测天线的接收效率为极化失配增益测量误差测试椭圆极化天线总增益G或部分增益GL1（即长轴增益）时，是假设发射天线（辅助）为理想线极化。但实际上，用于测量的发射天线总有一定的轴比值，这种极化失配将给增益测量带来误差。GL1的误差线极化源天线与待测椭圆极化天线之间的传输系数为最大传输系数源天线为理想线极化最大传输系数极化失配增益测量误差由源天线非理想线极化而引起的部分增益GL1的误差为极化失配增益测量误差修正因子K1和K2的误差源天线非理想线极化时最大传输系数为源天线非理性线极化的椭圆极化天线的轴比为极化失配增益测量误差源天线为理想线极化修正因子源天线有一定轴比时K1误差值为源天线为理想极化修正因子K2源天线有一定轴比时K2误差值为增益总误差源天线非理想线极化时