天線測(cè)量第五章

極化測(cè)量極化測(cè)量橢圓極化波的合成與其參數(shù)橢圓極化天線參數(shù)的測(cè)量圖解法測(cè)量技術(shù)復(fù)極化比的測(cè)量橢圓極化天線增益的測(cè)量極化傳輸損失的確定測(cè)量誤差極化極化和場(chǎng)的振幅、相位一樣也是表征電磁場(chǎng)基本特征的物理量。在電磁波的傳播過程中，無(wú)論場(chǎng)的振幅、相位或極化都可以包含有信息量，因而可以用來(lái)傳遞信息。圓極化的利用雷達(dá)利用圓極化天線來(lái)實(shí)現(xiàn)反云層、雨雪的干擾，氣象雷達(dá)利用雨、雹等的散射極化響應(yīng)不同來(lái)識(shí)別目標(biāo)性質(zhì)；飛行體上常用圓極化天線來(lái)提高通訊的可靠性，在劇烈擺動(dòng)或滾動(dòng)的飛行器上裝置圓極化天線，可以在任何狀態(tài)下都能收到信息；[雙方為圓極化，或一方為圓極化]在衛(wèi)星通訊中，為了增加分配的無(wú)線電領(lǐng)帶中信道的數(shù)目，對(duì)鄰近通道，使用高純度的正交線極化天線來(lái)達(dá)到極化鑒別，縮短所需的頻率間隔；[極化隔離頻率復(fù)用]在電視廣播中采用圓極化天線，可望克服重影；在天文、航天通信及遙感遙測(cè)設(shè)備中采用圓極化天線，除可減小信號(hào)漏失外，還可能消除由電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的極化畸變影響。極化天線的極化特性就成了某些天線設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)的一個(gè)重要方面。掌握極化的基本理論和測(cè)量天線極化特性的方法是從事天線工作必備的知識(shí)和技能。

線極化、圓極化、橢圓極化，前兩種為后一種的特殊形式。

橢圓極化波可以分解為兩個(gè)同頻線極化波，可以分解為兩個(gè)同頻反旋向的圓極化波；反之，也可以合成橢圓極化波。線極化波橢圓極化波圓極化波極化測(cè)量主要是橢圓極化波各參數(shù)的測(cè)量橢圓極化波的合成與其參數(shù)兩個(gè)線極化波合成橢圓極化波z=0的平面

橢圓極化波的合成與其參數(shù)一般化橢圓方程1.Ex與Ey同相或反相直線方程結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)線極化波同相或反相時(shí)，其合成波是一個(gè)線極化波E1=0，m=+1E1=E2，σ=π，m=-1橢圓極化波的合成與其參數(shù)2.Ex與Ey相位差±90°橢圓方程3.Ex與Ey相位差±90°，且E1=E2圓方程E1=E2橢圓極化天線的主要參量天線的極化特性，目前大多數(shù)都采用軸比AR、傾角τ和旋向三個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)定，因此測(cè)量天線極化參數(shù)的任務(wù)就是用直接或間接的方法來(lái)確定這三個(gè)參數(shù)由于天線輻射場(chǎng)是有方向性的，因此其極化特性也具有方向性，r=r(θ,φ),τ=τ(θ,φ)多數(shù)情況下，天線極化參數(shù)的測(cè)量主要是針對(duì)天線特定方向(θ,φ)來(lái)進(jìn)行，比如天線主波束最大輻射方向，或主波束半功率點(diǎn)方向等等，但有時(shí)也希望了解一定立體角范圍內(nèi)的天線極化特性，即極化方向圖。極化圖函數(shù)展開整理平方項(xiàng)展開，并利用倍角公式Eφ與φ的關(guān)系即為極化圖傾角橢圓極化波的傾角是指極化橢圓的長(zhǎng)軸OA與x坐標(biāo)軸之間的夾角τ橢圓極化波的極化橢圓之長(zhǎng)軸和短軸分別與新坐標(biāo)系x’y’重合，此項(xiàng)為零軸比橢圓極化波的軸比是指極化橢圓的長(zhǎng)軸與短軸之比。用AR表示。標(biāo)準(zhǔn)的橢圓方程旋向說明以圓極化波為例n為偶數(shù)情況n為奇數(shù)情況旋向說明右手螺旋順時(shí)針右旋反之則左旋橢圓極化波的電場(chǎng)矢量E的旋轉(zhuǎn)方向稱為旋向，可以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，也可以反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)兩個(gè)反旋向圓極化波合成橢圓極化波橢圓極化波可以看成是兩個(gè)旋向相反的圓極化波合成的結(jié)果兩反旋向圓極化波兩圓極化波的振幅相等兩圓極化波振幅不等其中之一個(gè)的振幅為零兩個(gè)反旋向圓極化波合成橢圓極化波兩圓極化波的振幅相等當(dāng)兩圓極化波的振幅相等時(shí)，合成波就是線極化波取向由兩圓極化波之間的相位關(guān)系確定兩圓極化波的場(chǎng)強(qiáng)矢量E在y方向同相，因此，合成波是垂直極化。兩個(gè)反旋向圓極化波合成橢圓極化波當(dāng)兩圓極化波振幅不等時(shí)，合成波就是橢圓極化波右旋圓極化波的振幅是左旋圓極化波振幅的兩倍。由于這兩個(gè)反旋向圓極化波的電場(chǎng)矢量在y方向時(shí)同相，故極化橢圓的長(zhǎng)軸在垂直方向，而短軸則在水平方向。合成橢圓極化波的旋向與振幅較大的圓極化波相同，在此實(shí)例中就是右旋橢圓極化波兩個(gè)反旋向圓極化波合成橢圓極化波兩圓極化波中之一個(gè)的振幅為零時(shí)，合成波就是與另一個(gè)圓極化波一樣的圓極化波說明令右旋圓極化波電場(chǎng)矢量左旋圓極化波電場(chǎng)矢量?jī)煞葱驁A極化波之間的相位差則合成波之瞬時(shí)x分量和y分量將分別是矢量和的實(shí)部和虛部橢圓方程極化與E1，E2及δ之間的關(guān)系前面的分析已經(jīng)看到合成波的極化特性取決于兩正交線極化分量的振幅E1，E2及及它們之間的相位差δE1E2E1是Ex的幅度E2是Ey的幅度橢圓極化天線參數(shù)的測(cè)量要滿足天線測(cè)量的一些共同要求外，還要注意以下事項(xiàng)(1)極化參數(shù)都是在一定坐標(biāo)系中定義的，因此進(jìn)行極化測(cè)量必須準(zhǔn)確標(biāo)定坐標(biāo)系統(tǒng)。坐標(biāo)選擇要符合定義，并和計(jì)算公式相一致，待測(cè)天線和輔助天線間必須選用統(tǒng)一的坐標(biāo)系。(2)要求在無(wú)反射條件下進(jìn)行測(cè)量。多路徑效應(yīng)雖然在天線的其它測(cè)量中也是有害的，但對(duì)極化測(cè)量的精度影響最大，這是因?yàn)槲矬w對(duì)電波反射的大小和相位，跟極化狀態(tài)有密切關(guān)系。(3)除三天線絕對(duì)法外，所有極化測(cè)量方法都要求事先提供一副或多副已知極化參數(shù)的輔助天線來(lái)作基準(zhǔn)，因此選擇基準(zhǔn)天線及對(duì)基準(zhǔn)天線的極化參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)是極化測(cè)量的必備條件之一。

此外在測(cè)試設(shè)備方面要求轉(zhuǎn)臺(tái)要有三個(gè)自由度，即除方位、俯仰可以自由旋轉(zhuǎn)且附有精確刻度外，還要求天線能繞本身的機(jī)械軸旋轉(zhuǎn)，且附有精確刻度。極化圖法這是一種最簡(jiǎn)便、直接而常用的方法，該法通常用線極化輔助天線測(cè)出軸比AR和傾角τ，用兩副反旋圓極化天線(比如螺旋天線)來(lái)確定旋向。橢圓極化線極化圓極化線分量法相位差，它可以用測(cè)量線法或電橋法來(lái)測(cè)取右旋圓極化左旋圓極化極化橢圓的傾角軸比線分量法一線分量法線分量法二另一方法是測(cè)取多個(gè)線分量的場(chǎng)強(qiáng)響應(yīng)，而不需進(jìn)行相位的測(cè)量，就能得到待測(cè)橢圓極化天線各參量。水平位置垂直位置對(duì)角線對(duì)角線波的極化圖圓分量法軸比AR＞0，待測(cè)天線為右旋向AR＜0，待測(cè)天線為左旋向待測(cè)天線極化橢圓的傾角可以仿照極化圖法，用一個(gè)可旋的線極化天線尋找最大場(chǎng)強(qiáng)響應(yīng)方向來(lái)確定。綜合法綜合法則只需一副可旋線極化天線就可以測(cè)得軸比、傾角、旋向等全部圓極化參數(shù)。用極化圖法測(cè)取待測(cè)橢圓極化天線的極化圖得到φ=0°和φ=90°位置時(shí)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)響應(yīng)E1和E2最大場(chǎng)強(qiáng)響應(yīng)時(shí)，線極化天線相對(duì)于水平方向的夾角φ1最大場(chǎng)強(qiáng)響應(yīng)和最小場(chǎng)強(qiáng)響應(yīng)值Emax和Emin軸比傾角左旋右旋δ和τ的判斷δ和τ值有雙值特性2τ及δ

所有象限分子符號(hào)分母符號(hào)第一象限++第二象限+-第三象限--第四象限-+0o0+90o+0180o0-270o-0橢圓極化天線增益的測(cè)量一個(gè)橢圓極化波可視為兩正交線極化或兩正交圓極化波（即兩旋向相反的圓極化波）所組成，故一個(gè)橢圓極化天線增益有總增益和部分增益之分?？傇鲆鏋椋翰糠衷鲆婢€極化分量長(zhǎng)軸增益線極化分量短軸增益兩正交線極化兩正交圓極化要求圓極化的部分增益正交圓極化的部分增益比較法測(cè)量橢圓極化天線增。但由于無(wú)法找到一個(gè)各向均勻輻射的圓極化天線作比較標(biāo)準(zhǔn)，或者做一副純圓極化標(biāo)準(zhǔn)增益天線困難較大，因此，一般仍采用線極化天線作比較標(biāo)準(zhǔn)天線，這樣測(cè)得的實(shí)際上是部分增益GL1,需要加修正因子圓極化分量法長(zhǎng)軸方向的線極化功率右旋圓極化功率修正因子具體方法測(cè)長(zhǎng)軸增益測(cè)軸比查圖表得K1（由軸比）計(jì)算總增益（等效圓極化總增益）線極化分量法橢圓極化波可以分解為兩個(gè)正交的線極化波，可分別求出待測(cè)橢圓極化天線相對(duì)于兩正交線極化標(biāo)準(zhǔn)天線的增益，然后再據(jù)此求得橢圓極化天線的等效圓極化增益測(cè)長(zhǎng)軸（歸一化至0dB）測(cè)短軸（歸一化）查表得K（由短軸歸一化）計(jì)算極化傳輸損失的確定增益換算實(shí)際上是確定極化傳輸損失，只不過僅指線極化與圓極化之間的傳輸損失。收、發(fā)天線均為橢圓極化天線時(shí)，接收天線中感應(yīng)的電壓為常數(shù)發(fā)射天線的軸比接收天線的軸比收發(fā)天線極化橢圓長(zhǎng)軸間夾角收發(fā)天線的旋向相同，則取正號(hào)若旋向相反，則取負(fù)號(hào)發(fā)、收天線均為純圓極化（旋向相同時(shí)）0（旋向相反時(shí)）旋向相同時(shí)純圓極化天線感應(yīng)的最大電壓極化傳輸損失的確定旋向相同時(shí)純圓極化天線感應(yīng)的最大電壓為歸一化圓極化分量表示橢圓極化接收天線中所感應(yīng)的歸一化電壓為發(fā)射天線的右旋和極化分量振幅發(fā)射天線的左旋和極化分量振幅接收天線的右旋和極化分量振幅接收天線的左旋和極化分量振幅極化傳輸損失的確定收、發(fā)天線均為右旋圓極化無(wú)極化損失的最大傳輸條件收、發(fā)天線均為左旋圓極化天線無(wú)極化損失的最大傳輸條件一方為左旋圓極化，一方為右旋圓極化最大極化損失條件或收、發(fā)雙方均為橢圓極化極化損失大小則與兩天線的軸比和傾角有關(guān)極化傳輸損失的確定最小極化損失最大極化損失同旋向極化損失曲線極化傳輸損失的確定反旋向極化損失最小極化損失最大極化損失測(cè)量誤差討論在極化測(cè)量中，分析可能發(fā)生的誤差，要比極化問題本身復(fù)雜得多，本章不可能全面討論這些誤差的分析。關(guān)于極化誤差分析的方法也還主要是用極化的基本理論即潘卡球、極化盒。斯托克斯參數(shù)等概念為基礎(chǔ)。

極化測(cè)量的誤差來(lái)源(1)極化標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)誤差；

(2)基準(zhǔn)天線的極化誤差；

(3)幅度測(cè)量誤差，包括標(biāo)度誤差和非線性誤差；

(4)測(cè)相誤差，包括設(shè)置正確的相位參誤差和非線性誤差；

(5)有外來(lái)干擾信號(hào)時(shí)對(duì)測(cè)試的影響；

(6)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)(三個(gè)自由度)的讀數(shù)誤差及坐標(biāo)系統(tǒng)軸對(duì)不準(zhǔn)誤差；

(7)由一組極化參數(shù)換算為另一組參數(shù)時(shí)的計(jì)算誤差；

(8)在計(jì)算或操作中，由于對(duì)極化旋向或傾角判定的疏忽而發(fā)生的錯(cuò)誤。由于極化標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)誤差而引起的測(cè)量誤差假定極化標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過校準(zhǔn)的線極化天線，極化測(cè)量的誤差將由極化標(biāo)準(zhǔn)的軸比和傾角測(cè)量而引起。傾角誤差直接由于傾角測(cè)量而產(chǎn)生，比如坐標(biāo)基準(zhǔn)線誤差，轉(zhuǎn)臺(tái)角度讀數(shù)誤差等。軸比的誤差取決于測(cè)量方法但誤差量級(jí)是相似的。

由于標(biāo)準(zhǔn)天線不是理想線極化而引起的軸比測(cè)量誤差，可能有兩種情況，即待測(cè)天線與標(biāo)準(zhǔn)天線之間極化同旋向或反旋向時(shí)，以反旋向時(shí)誤差大，所以我們就按最大測(cè)量誤差來(lái)進(jìn)行研究，最大誤差定義如下：?（dB）=20lg（ARm/AR)=Arm(dB)-AR(dB)設(shè)ARS為標(biāo)準(zhǔn)天線的實(shí)際軸比值，在待測(cè)天線與標(biāo)準(zhǔn)天線之間進(jìn)行收發(fā)工作，待測(cè)天線的接收效率為極化失配增益測(cè)量誤差測(cè)試橢圓極化天線總增益G或部分增益GL1（即長(zhǎng)軸增益）時(shí)，是假設(shè)發(fā)射天線（輔助）為理想線極化。但實(shí)際上，用于測(cè)量的發(fā)射天線總有一定的軸比值，這種極化失配將給增益測(cè)量帶來(lái)誤差。GL1的誤差線極化源天線與待測(cè)橢圓極化天線之間的傳輸系數(shù)為最大傳輸系數(shù)源天線為理想線極化最大傳輸系數(shù)極化失配增益測(cè)量誤差由源天線非理想線極化而引起的部分增益GL1的誤差為極化失配增益測(cè)量誤差修正因子K1和K2的誤差源天線非理想線極化時(shí)最大傳輸系數(shù)為源天線非理性線極化的橢圓極化天線的軸比為極化失配增益測(cè)量誤差源天線為理想線極化修正因子源天線有一定軸比時(shí)K1誤差值為源天線為理想極化修正因子K2源天線有一定軸比時(shí)K2誤差值為增益總誤差源天線非理想線極化時(shí)