圆极化天线特性参数测量方法

收稿日期: 2008-08-26 基金项目:国家重点实验室基金资助( J14303260068) 作者简介:尚军平( 1964- ) ,男,副教授,西安电子科技大学博士研究生, E- mail : jpshang@ mai l. xidian. edu. cn. 圆极化天线特性参数测量方法 尚军平, 傅德民, 蒋 � 帅, 邓颖波 (西安电子科技大学 天线与微波技术重点实验室,陕西 西安 � 710071) 摘要: 提出了一种利用线极化源天线测量圆极化天线特性参数的新方法. 基于椭圆极化波的分解理论, 建立了测量方法的数学模型,用线极化源天线进行两次正交的测量即可得到圆极化天线的方向图、轴 比、增益等特性信息, 并研制了实际的测试系统.利用该测试系统对圆极化天线进行实际测试, 证明了该 方法具有实用性强、自动化程度高、测量精度高等特点. 关键词: 圆极化天线;数学模型; 特性参数;测量原理 中图分类号: T N820. 1+ 1� � 文献标识码: A � � 文章编号: 1001-2400( 2009) 01-0106-05 Method for measuring the characteristic parameter of the circular polarization antenna SH A NG J un-p ing , FU De-m in, J I A N G Shuai , DEN G Ying-bo ( Key Lab. of Antennas and M icrowave Technolog y, Xidian Univ. , Xi�an � 710071, China) Abstract: � A new methodology for measur ing the characteristic parameter of the circular polar ization antenna using the linear po larization antenna is proposed. The mathematical model of the measurement method is founded based on the decomposition theory of the ellipse polarization microwave. It is easy to obtain the characteristic information on the circular po larization antenna, such as pattern, ax ial ratio, gain, etc. , thr ough the use of tw o orthogonal measures with a linear polarizat ion antenna, and also a practical testing system is developed. By measuring the circular polarization antenna practically, this method has been proved to be of merits o f effectiveness, high automatization, and high measurement accuracy. Key Words: � circular po lar izat ion antennas; mathematica l models; characterist ic pa rameter; measurement theo ry 极化和场的振幅、相位一样,都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、相位或极化都包含信息量,可以用来传递信息.为了获得最大极化效率,减少干扰,许多卫星通讯系统、点 对点通讯系统、雷达系统、导航系统等都采用圆极化方式,因此对圆极化天线特性参数的准确测量相当重要. 文献[ 1]提出一种用线极化源天线绕旋转轴高速旋转, 而被测天线绕方位轴慢速旋转来测量圆极化天线的方 法,该方法只能得到一个截面的近似特性信息; 文献[ 2]也提出一种用线极化源天线测量圆极化天线的方 法,该方法给出了轴比对增益的修正公式,适宜于轴比较小的圆极化天线的测量; 文献[ 3-4]介绍了用近场 法测量天线极化特性的方法; 文献[ 5]介绍了一些通用的手动测量天线极化特性的方法.笔者提出用线极化 辅助天线进行两次正交的测量即可得到圆极化天线的方向图、轴比、增益等特性信息, 是一种实用的自动化 程度较高的测量方法. 1 � 极化的概念 极化是指在与波的传播方向垂直的平面内,电磁矢量变化一周矢端所描绘出的轨迹.根据轨迹形状的不 2009年 2月 第 36卷 � 第 1期 � 西安电子科技大学学报(自然科学版)JOURNAL � OF � XIDIAN � UNIVERSITY � Feb. 2009Vol . 36 � No. 1 同天线极化可分为线极化、圆极化、椭圆极化 3种形式,其中线极化和圆极化为椭圆极化的特例.描述椭圆极 化的参数有轴比、倾角和旋向. 椭圆极化轴比定义为长轴和短轴之比, 用 r 表示.用分贝表示的轴比 RA 为RA = 20 lo g( r ) .当RA = 0为 圆极化, R A = � 为线极化. 图 1� 表示极化特性参数的坐标系 极化旋向根据波的传播方向和电场矢量的旋转方向来定义, 可分 为左旋椭圆极化和右旋椭圆极化.一般天线的旋向在天线做成后就成 为一个确定参数.倾角的定义与坐标轴的选择有关, 如图 1所示坐标 系: up = u1 � u2 ,其中 up 为波的传播方向, u1 为基准坐标轴.由 u1沿 右旋至椭圆长轴 EM 方向的夹角定义为倾角�. 通常理想的线极化天线较容易做到,而理想的圆极化天线很难实 现,一般的圆极化天线都表现为椭圆极化. 若用一个非理想的圆极化 天线来测量圆极化天线参数会带来一定的测量误差,故笔者研究通过 一线极化辅助天线来测量圆极化天线的各特性参数. 2 � 测量原理 瞬时电场 �( r, t ) 通常表示为位置矢 r和时间 t 的函数: �( r, t) = 21/ 2Re[ E( r) exp( j�t ) ] � . (1) 由于场随时间的变化关系一定,因此通常研究的电场指空间中的电场,在远区可表示为 E( r) = exp(- jkr ) r F (�, �) u � , (2) 式中 F (�, �) 为方向图函数, u代表某一位置的极化单位矢, 且 r � u = 0.当 r一定时,时谐场可表示为 �( r, t ) = 21/ 2Re( cuexp( j�t ) ) � , (3) 其中 r为定值, c为不随时间变化的常数. 令 �( t ) = Re( cu exp( j�t ) ) , u在球坐标系可表示为u = a��+ a� �, a� 2 + a� 2 = 1. 则 �( t) = � F�(�, �) co s( �t + ��) + � F�(�, �) cos( �t + ��) � , (4) 其中 F�(�, �) = ca�, ��= arg ( F�) , F�(�, �) = ca�, �� = arg( F�) . ( 1) 当 �� = ��, F� 及 F� 为任意值,合成场为线极化,合成场瞬时值幅度大小为 E( t) = F� 2 + F� 2 1/ 2 cos( �t ) � . (5) � � ( 2) 当 ��- �� = � �/ 2,且 F� = F� 时,合成矢量为圆极化波. 若 ��- �� = �/ 2, 为右旋圆极化, ��- �� = - �/ 2为左旋圆极化. 这样矢量 u可表示为 右旋圆极化单位矢量 � R = (�- j �) / 21/ 2 � , (6) 左旋圆极化单位矢量 � L = ( �+ j �) / 21/ 2 � . (7) � � ( 3) ��- �� � 0, � �/ 2, � �,且 F� � F� 时,合成场为椭圆极化波.椭圆极化波可分解为两个正交线 极化波或两个正交圆极化波之和, 即 F = F��+ F� � = FLL + F RR � , (8) 其中 FL = FL exp( j�L ) = F � L* = (F�- j F�) / 21/ 2 � , FR = FR exp( j�R ) = F � R* = ( F�+ j F�) / 21/ 2 � . � � 用一个纯度较高的线极化辅助天线,分别在极化处于水平和垂直位置时, 测得在某一截面中每个测量 � 角上天线的远场的幅相( H A , H P ) 和( V A , V P ) .这样该截面的 F�, F�可表示为 F�= H A exp( jH P ) = H A co s(H p ) + j H A sin(H P ) � , (9) F� = V A exp( jV P ) = V A cos( V p ) + j V A sin( V P ) � . (10) 将上式分别代入左旋圆极化分量和右旋圆极化分量公式,得 FL = [ (H A cos(H P ) + V A sin( V P ) ) + j(H A sin(H P ) - V A co s( V P ) ) ] / 21/ 2 � , (11) 107第 1 期 � � � � � � � � � � � � � � � 尚军平等:圆极化天线特性参数测量方法 FR = [ ( H A cos( H P ) - V A sin( V P ) ) + j( H A sin(H P ) + V A co s( V P ) ) ] / 21/ 2 � . (12) 若 FL > F R ,说明左旋圆极化分量为该天线的主极化分量, 右旋圆极化分量为交叉极化分量,该天线为 左旋圆极化天线; 若 FL < FR ,则相反; 若 FL = FR , 则为线极化天线. 每一个极化分量功率方向图可表示为(用分贝表示) PL = 10 lo g( FL 2 / 377) � , (13) P R = 10 log( FR 2 / 377) � , (14) 其中 377 � 为自由空间的波阻抗,可绘出每个 �截面内的主极化和交叉极化方向图. 由轴比 r = ( FL + F R ) / ( FL - FR ) , 用分贝表示为 RA = 20 log ( F L + F R ) / ( FL - FR ) � , (15) 可计算出每个 �截面内不同 �角时天线的轴比. 天线增益也是一个关键参数, 该方法中研究用比较法测量.若被测天线为左旋圆极化天线,测试可获得 max P L ,再将被测天线用一个具有标准增益的与辅助天线极化一样的标准天线测试, 可获得最大接收电 平max Ps td , 这样测得该圆极化天线的增益为 G = G std + [ max PL - max Ps td ] � , (16) 其中 Gs td为标准天线增益. 注: 实际增益 G 为圆极化分量的部分增益,若要求天线总增益, 天线最大接收电平应为左旋分量接收电平和 右旋接收电平之和. 图 2 � 测试系统框图 3 � 测量系统及测试程序 基于上述原理, 研制一套自动测试系统 [ 6] , 测试系统框图如图 2.待测天线为圆极化天线或任意轴比的 椭圆极化天线, 标准增益天线和源天线均为线极化天线,其测试程序如下: ( 1) 按图 2连接好整个测试系统,调整源天线和待测天线对准,调整源天线的极化处于水平方向; ( 2) 分别在源天线处于水平和垂直位置时, 测量每个 �角上的H A , H p , V A , V P 值, 并代入式(11) , ( 12) , (15) 计算 FL , FR 和P L , PR , RA , 获得max P .若要测量被测天线其他截面的信息, 只需改变被测天线一转 角 �, 重复该步的测量即可. ( 3) 将待测天线换成标准增益天线,测量标准增益天线接收电平最大值 max P std , 代入式( 16)可得圆 极化天线增益. 108� � � � � � � � � � � � � � � � � � 西安电子科技大学学报(自然科学版) � � � � � � � � � � � � � � 第 36 卷 4 � 应用举例 在微波暗室内, 应用该测量方法研制的测量系统[ 6] ,对图 3所示的螺旋天线进行测试. 图 4为测试 8个 截面的立体方向图. 图 5为计算被测天线在�= 0�, �= 90�截面的方向图, 并计算该天线方向系数、半功率波 瓣宽度、副瓣电平等参数.图 6为计算被测天线在�= 0�, �= 90�截面内的轴比曲线.对该天线在测量系统中 进行多次测量, 均获得较高的重复性(由于篇幅所限未给出重复测试的比对结果) ,证明了该方法是一种实用 的、自动化程度较高的圆极化天线特性测量方法. 图 3� 螺旋天线 图 4 � 圆极化天线测试的立体方向图 图 5� 计算 �= 0�及 �= 90�截面的方向图 图 6� 计算 �= 0�及 �= 90�截面内的轴比曲线 109第 1 期 � � � � � � � � � � � � � � � 尚军平等:圆极化天线特性参数测量方法 5 � 总 � � 结 笔者介绍了一种利用线极化源天线测量圆极化天线特性参数的方法, 并研制了实际的测试系统.实践证 明该方法具有实用性强、自动化程度高、测量精度高等特点,能够满足目前科研和生产对圆极化天线测试的 需要,具有一定的应用价值. 参考文献: [ 1] T oh B Y . Understanding and Measur ing Circular Polarization [ J] . IEEE T rans on Educat ion, 2003, 46( 3) : 313-318. [ 2] 秦顺友 , 杨可忠, 陈辉. 不同极化天线增益测量技术[ J] . 电子测量与仪器学报, 2003, 17( 1) : 7-11. Qin Shunyong , Yang Kezhong , Chen H ui. Measuring Technique o f Gain for D ifferent Polarization Antenna[ J] . 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