基于線分量幅度的圓極化天線測(cè)試方法的修正

王道雨， 汪 敏， 徐 諾， 吳 文

(南京理工大學(xué) JGMT國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210094)

基于線分量幅度的圓極化天線測(cè)試方法的修正

王道雨， 汪 敏， 徐 諾， 吳 文

(南京理工大學(xué) JGMT國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210094)

本文討論了基于線分量幅度的圓極化天線測(cè)試方法， 介紹了這種方法測(cè)試軸比的原理， 首次指出了這種方法不能判定主極化旋向的問(wèn)題， 并提出了采用兩個(gè)一般性能的圓極化參考天線來(lái)判定旋向的修正方案. 此外針對(duì)實(shí)際測(cè)試中的特殊情況進(jìn)行了修正完善. 最后實(shí)際測(cè)量了自行設(shè)計(jì)的雙頻雙圓極化天線陣列， 測(cè)試與仿真結(jié)果保持了良好的一致性， 從而表明了該修正的正確性、 有效性與實(shí)用性.

測(cè)試方法修正； 線分量幅度； 圓極化天線特性參數(shù)； 旋向

0 引 言

圓極化天線特性參數(shù)的測(cè)試方法有線分量法、 圓分量法和極化圖法等[ 1]. 實(shí)際中高極化隔離的線極化天線更容易得到， 因而線分量法的應(yīng)用更為廣泛. 例如， 文獻(xiàn)[2,3]通過(guò)線分量的幅度和相位得到了圓極化天線的軸比、 方向圖等特性， 這種方法亦稱為線圓變換法. 然而一般天線測(cè)試場(chǎng)中相位測(cè)試會(huì)受到測(cè)試設(shè)備的限制， 誤差會(huì)比較大. 文獻(xiàn)[4-7]則僅利用線分量幅度即得到了軸比等特性， 這種方法的優(yōu)勢(shì)在于幅度更容易精測(cè)， 從而提高了測(cè)試精度. 然而該方法由于缺少了相位信息造成了主極化旋向無(wú)法判定， 當(dāng)前未有文獻(xiàn)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了分析. 本文對(duì)此進(jìn)行分析， 給出解決方案進(jìn)行修正， 同時(shí)針對(duì)該方法實(shí)際測(cè)試中的特殊情況完善了測(cè)試處理方案.

修正后的測(cè)試方法準(zhǔn)確性提高， 實(shí)用性增強(qiáng). 利用該方法對(duì)自行設(shè)計(jì)的雙頻雙圓極化天線陣列進(jìn)行實(shí)際測(cè)量， 實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果保持了良好的一致性， 滿足科研、 工程等對(duì)圓極化天線測(cè)試的需求.

1 測(cè)試原理

極化是電磁理論中一個(gè)重要的概念， 它表征在與波的傳播方向垂直的平面內(nèi)， 電磁矢量隨時(shí)間變化的軌跡[8]. 當(dāng)該軌跡形狀為直線、 圓和橢圓時(shí)， 可分別稱之為線極化、 圓極化和橢圓極化. 其中線極化和圓極化是橢圓極化的特例. 極化圖、 傾角、 軸比和旋向是極化橢圓的主要參數(shù)， 如圖 1 所示.

圖 1 極化橢圓Fig.1 Polarization ellipse

極化圖反映了任意電場(chǎng)矢量E在φ方向的最大投影Eφ， 如圖 1 所示， 其中Eφ與φ的關(guān)系式表示為[4]

(1)

式中： E1， E2分別為水平極化波振幅和垂直極化波振幅； δ為E1， E2之間的相位差.

事實(shí)上， Eφ就是xy平面中旋轉(zhuǎn)的線極化天線對(duì)φ方向的場(chǎng)強(qiáng)響應(yīng)， 極化圖的最大值和最小值分別與極化橢圓的最大值和最小值重合. 給出任意兩組正交的線分量幅度， 例如旋轉(zhuǎn)線極化天線測(cè)得φ=0°， 90°， 45°， 135°兩組正交的場(chǎng)強(qiáng)響應(yīng)E1， E2， E3， E4， 代入式(1)聯(lián)立， 可得到

(2)

圖 1 中極化橢圓的傾角τ是長(zhǎng)軸2A與x坐標(biāo)軸的夾角， 它與E1， E2和δ之間滿足

(3)

定義極化橢圓的長(zhǎng)軸2A和短軸2B之比為軸比， 記為RA， 用dB表示為20log(RA). 當(dāng)RA=0dB時(shí)為圓極化； 當(dāng)RA=∞時(shí)則為線極化. 軸比與E1， E2和δ的關(guān)系可表示為

(4)

因此， 通過(guò)E1， E2， E3， E4得到cosδ后， 代入式(3)和式(4)即可得到傾角和軸比.

根據(jù)以上分析， 利用線極化天線僅測(cè)試兩組正交的線分量幅度， 無(wú)需相位測(cè)試， 即可得到圓極化天線的軸比特性， 由于幅度更容易精測(cè)， 從而提高了測(cè)試精度.

2 旋向判定的輔助修正

橢圓極化波的旋向若與傳播方向z成左手螺旋關(guān)系(圖 1 中順時(shí)針旋轉(zhuǎn))， 稱為左旋圓極化； 若與z成右手螺旋關(guān)系(圖 1 中逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))， 則稱為右旋圓極化. 具體旋向信息可以通過(guò)E1和E2間的相位差δ得到：δ∈ (-π,0) 時(shí)則為右旋圓極化， δ∈ (0,π) 時(shí)為左旋圓極化.

式(2)中cosδ∈[-1,1]，arccosδ∈[0,π]， 從而無(wú)法判定δ∈[ 0,π]還是δ∈[-π,0]. 這說(shuō)明只測(cè)4組幅度值丟失了重要的相位差信息， 從而無(wú)法判斷主極化旋向， 這個(gè)問(wèn)題尚未有文獻(xiàn)提及.

本文提出： 采用兩個(gè)旋向相反、 結(jié)構(gòu)相同的圓極化參考天線對(duì)待測(cè)天線的旋向進(jìn)行判定， 兩個(gè)參考天線分別測(cè)試待測(cè)天線的幅度， 測(cè)得幅度大的參考天線的旋向即為待測(cè)天線的旋向. 這里無(wú)需采用高極化純度的圓極化天線， 只需一般性能的圓極化天線即能夠進(jìn)行幅度對(duì)比， 在實(shí)際中是容易實(shí)現(xiàn)的.

獲得主極化旋向信息后， 圓極化天線的方向圖可通過(guò)如下獲得. 任意電場(chǎng)矢量E可分解為左旋圓極化分量L和右旋圓極化分量R， 它們的幅值與線分量幅度滿足如下關(guān)系：

(5)

而軸比RA也可以用L， R表示為(假設(shè)L>R)

(6)

聯(lián)立式(5)，式(6)可得

(7)

因此待測(cè)圓極化天線的方向圖可用式(7)表示， 分別對(duì)應(yīng)主極化和交叉極化分量.

3 特殊情況的修正

表 1 給出了E1/E2、δ與合成橢圓極化波的典型關(guān)系. 從表 1 中可以看出一些特殊情況：

1) 當(dāng)E1/E2=∞時(shí)，E2=0， 此時(shí)無(wú)論δ為何值， 合成的橢圓極化波都為水平線極化波；

2) 當(dāng)E1/E2=0時(shí)，E1=0， 此時(shí)無(wú)論δ為何值， 合成的橢圓極化波都為垂直線極化波；

3) 當(dāng)E1/E2=1，δ=0或±π時(shí)， 合成的橢圓極化波也為線極化波， 極化方向在τ=±45°方向；

4) 當(dāng)E1/E2=1，δ=±π/2， 合成的橢圓極化波為圓極化波.

實(shí)際測(cè)試中電場(chǎng)波接近特定方向線極化如上述1),2)兩種情況時(shí)

(8)

代入式(2)中分子和分母都接近于0， 容易出現(xiàn)較大誤差， 即|cosδ|=0/0可能出現(xiàn)大于1的情況， 從而軸比處理誤差較大. 而情況3)下

(9)

此時(shí)式(2)中cosδ可準(zhǔn)確處理， 同時(shí)2τ誤差較小. 因而對(duì)于1),2)兩種情況， 可通過(guò)情況3)先求出準(zhǔn)確的cosδ′， 再求得準(zhǔn)確的軸比RA. 即令

(10)

則

(11)

(12)

(13)

實(shí)際測(cè)試中電場(chǎng)波接近4)的情況也會(huì)出現(xiàn)， 此時(shí)E1=E2=E3=E4， 圓極化性能好， 但式(3)中τ的分子和分母同時(shí)接近于0， 造成τ=0/0誤差較大. 而先利用式(2)準(zhǔn)確求出δ=±π/2， 再通過(guò)另一軸比表達(dá)式[9]可準(zhǔn)確求出軸比， 即：

(14)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

運(yùn)用修正后的測(cè)試方法對(duì)自行設(shè)計(jì)的雙頻雙圓極化微帶陣列進(jìn)行多次測(cè)試， 根據(jù)天線用于發(fā)射和接收時(shí)特性間的互易性[10]， 測(cè)試時(shí)將待測(cè)圓極化天線作為接收天線隨轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)， 線極化喇叭天線作為發(fā)射天線保持不動(dòng)， 測(cè)試示意圖如圖 2 所示.

圖 2 測(cè)試示意圖Fig.2 Test schematic

圖 3 軸比隨頻率變化曲線(φ=0°， θ=0°)和參考天線所測(cè)幅值Fig.3 Curves of axial ratio versus frequency (φ=0°， θ=0°) and amplitudes measured by reference antennas

將線極化天線的極化位置分別置于φ=0°， 90°， 45°， 135°方向， 測(cè)取4組線極化幅度， 計(jì)算出軸比并與HFSS仿真結(jié)果進(jìn)行比較， 如圖 3 所示， 可以看出低頻段和高頻段上測(cè)試的軸比隨頻率變化曲線與仿真曲線吻合得都很好. 另外采用兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的左右旋圓極化參考天線對(duì)待測(cè)天線進(jìn)行幅度對(duì)比測(cè)試， 從圖 3 中可以看出在低頻段右旋圓極化(RHCP)參考天線測(cè)得的幅度電平大于左旋圓極化(LHCP)參考天線， 在高頻段則相反， 從而可以判斷出低頻工作時(shí)主極化旋向?yàn)橛倚龍A極化， 高頻工作時(shí)主極化旋向?yàn)樽笮龍A極化. 最后通過(guò)線分量幅度法所得軸比處理出兩個(gè)中心頻率(8.2 GHz， 8.6 GHz)處的主極化歸一化方向圖， 如圖 4， 圖 5 所示， 可見(jiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果也保持了很好的一致性. 由此可見(jiàn)該修正是正確、 實(shí)用且有效的.

5 結(jié) 論

本文依托南京理工大學(xué)JGMT國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室的微波暗室， 對(duì)基于線分量幅度的圓極化天線測(cè)試方法進(jìn)行了修正. 原有的測(cè)試方法并不能判定主極化旋向， 因而提出利用一般性能的圓極化參考天線來(lái)判定待測(cè)天線的旋向， 另外對(duì)測(cè)試中的線極化和圓極化等特殊情況進(jìn)行分析， 完善了處理方法. 最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 結(jié)果表明這種修正具有正確、 方便、 效率高、 準(zhǔn)確性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 滿足科研、 工程等對(duì)圓極化天線測(cè)試的基本需求.

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Corrections of the Test Approach for Circular Polarization Antenna Based on Linear Component Amplitudes

WANG Daoyu, WANG Min, XU Nuo, WU Wen

(JGMT Ministerial Key Laboratory， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China)

The test approach for circular polarization antenna based on linear component amplitudes has been discussed in this paper. The principle of the approach is introduced for testing axial ratios. Then it is the first time to point out the problem that the approach cannot determine the rotation sense of co-polarization. And a correction scheme has been proposed to determine the rotation sense by using two circular polarization reference antennas with general performance. Beside saccording to the exceptional circumstances in practical test, the amendment and improvement have been given. Finally, a self-designed dual-band dual-circular polarization antenna array has been tested practically. The test and simulated results maintain good consistency, which shows the correctness, validity and practicability of the corrections.

test corrections; linear component amplitudes; circular polarization antenna characteristic parameters; rotation sense

1671-7449(2017)03-0266-05

2016-12-19

國(guó)家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(61401208)

王道雨(1991-)， 男， 碩士， 主要從事天線理論與設(shè)計(jì)的研究.

TN820.5

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.03.014