基于線分量幅度的圓極化天線測試方法的修正

王道雨， 汪 敏， 徐 諾， 吳 文

(南京理工大學 JGMT國防重點學科實驗室， 江蘇 南京 210094)

基于線分量幅度的圓極化天線測試方法的修正

王道雨， 汪 敏， 徐 諾， 吳 文

(南京理工大學 JGMT國防重點學科實驗室， 江蘇 南京 210094)

本文討論了基于線分量幅度的圓極化天線測試方法， 介紹了這種方法測試軸比的原理， 首次指出了這種方法不能判定主極化旋向的問題， 并提出了采用兩個一般性能的圓極化參考天線來判定旋向的修正方案. 此外針對實際測試中的特殊情況進行了修正完善. 最后實際測量了自行設計的雙頻雙圓極化天線陣列， 測試與仿真結果保持了良好的一致性， 從而表明了該修正的正確性、 有效性與實用性.

測試方法修正； 線分量幅度； 圓極化天線特性參數； 旋向

0 引 言

圓極化天線特性參數的測試方法有線分量法、 圓分量法和極化圖法等[ 1]. 實際中高極化隔離的線極化天線更容易得到， 因而線分量法的應用更為廣泛. 例如， 文獻[2,3]通過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. 然而一般天線測試場中相位測試會受到測試設備的限制， 誤差會比較大. 文獻[4-7]則僅利用線分量幅度即得到了軸比等特性， 這種方法的優勢在于幅度更容易精測， 從而提高了測試精度. 然而該方法由于缺少了相位信息造成了主極化旋向無法判定， 當前未有文獻對此問題進行了分析. 本文對此進行分析， 給出解決方案進行修正， 同時針對該方法實際測試中的特殊情況完善了測試處理方案.

修正后的測試方法準確性提高， 實用性增強. 利用該方法對自行設計的雙頻雙圓極化天線陣列進行實際測量， 實測結果與仿真結果保持了良好的一致性， 滿足科研、 工程等對圓極化天線測試的需求.

1 測試原理

極化是電磁理論中一個重要的概念， 它表征在與波的傳播方向垂直的平面內， 電磁矢量隨時間變化的軌跡[8]. 當該軌跡形狀為直線、 圓和橢圓時， 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， 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.

事實上， Eφ就是xy平面中旋轉的線極化天線對φ方向的場強響應， 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， 例如旋轉線極化天線測得φ=0°， 90°， 45°， 135°兩組正交的場強響應E1， E2， E3， E4， 代入式(1)聯立， 可得到

(2)

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

(3)

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

(4)

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

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

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成左手螺旋關系(圖 1 中順時針旋轉)， 稱為左旋圓極化； 若與z成右手螺旋關系(圖 1 中逆時針旋轉)， 則稱為右旋圓極化. 具體旋向信息可以通過E1和E2間的相位差δ得到：δ∈ (-π,0) 時則為右旋圓極化， δ∈ (0,π) 時為左旋圓極化.

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

本文提出： 采用兩個旋向相反、 結構相同的圓極化參考天線對待測天線的旋向進行判定， 兩個參考天線分別測試待測天線的幅度， 測得幅度大的參考天線的旋向即為待測天線的旋向. 這里無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行幅度對比， 在實際中是容易實現的.

獲得主極化旋向信息后， 圓極化天線的方向圖可通過如下獲得. 任意電場矢量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系：

(5)

而軸比RA也可以用L， R表示為(假設L>R)

(6)

聯立式(5)，式(6)可得

(7)

因此待測圓極化天線的方向圖可用式(7)表示， 分別對應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系. 從表 1 中可以看出一些特殊情況：

1) 當E1/E2=∞時，E2=0， 此時無論δ為何值， 合成的橢圓極化波都為水平線極化波；

2) 當E1/E2=0時，E1=0， 此時無論δ為何值， 合成的橢圓極化波都為垂直線極化波；

3) 當E1/E2=1，δ=0或±π時， 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E1/E2=1，δ=±π/2， 合成的橢圓極化波為圓極化波.

實際測試中電場波接近特定方向線極化如上述1),2)兩種情況時

(8)

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

(9)

此時式(2)中cosδ可準確處理， 同時2τ誤差較小. 因而對于1),2)兩種情況， 可通過情況3)先求出準確的cosδ′， 再求得準確的軸比RA. 即令

(10)

則

(11)

(12)

(13)

實際測試中電場波接近4)的情況也會出現， 此時E1=E2=E3=E4， 圓極化性能好， 但式(3)中τ的分子和分母同時接近于0， 造成τ=0/0誤差較大. 而先利用式(2)準確求出δ=±π/2， 再通過另一軸比表達式[9]可準確求出軸比， 即：

(14)

4 實驗驗證

運用修正后的測試方法對自行設計的雙頻雙圓極化微帶陣列進行多次測試， 根據天線用于發射和接收時特性間的互易性[10]， 測試時將待測圓極化天線作為接收天線隨轉臺轉動， 線極化喇叭天線作為發射天線保持不動， 測試示意圖如圖 2 所示.

圖 2 測試示意圖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， 測取4組線極化幅度， 計算出軸比并與HFSS仿真結果進行比較， 如圖 3 所示， 可以看出低頻段和高頻段上測試的軸比隨頻率變化曲線與仿真曲線吻合得都很好. 另外采用兩個結構相同的左右旋圓極化參考天線對待測天線進行幅度對比測試， 從圖 3 中可以看出在低頻段右旋圓極化(RHCP)參考天線測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主極化旋向為右旋圓極化， 高頻工作時主極化旋向為左旋圓極化. 最后通過線分量幅度法所得軸比處理出兩個中心頻率(8.2 GHz， 8.6 GHz)處的主極化歸一化方向圖， 如圖 4， 圖 5 所示， 可見實測結果與仿真結果也保持了很好的一致性. 由此可見該修正是正確、 實用且有效的.

5 結 論

本文依托南京理工大學JGMT國防重點學科實驗室的微波暗室， 對基于線分量幅度的圓極化天線測試方法進行了修正. 原有的測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判定待測天線的旋向， 另外對測試中的線極化和圓極化等特殊情況進行分析， 完善了處理方法. 最后進行了實驗驗證， 結果表明這種修正具有正確、 方便、 效率高、 準確性強等優點， 滿足科研、 工程等對圓極化天線測試的基本需求.

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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

國家自然科學青年基金資助項目(61401208)

王道雨(1991-)， 男， 碩士， 主要從事天線理論與設計的研究.

TN820.5

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.03.014