圓極化天線軸比的測量方法

李文廷，韋 高，仲兆宇，吳文鶴

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

圓極化天線軸比的測量方法

李文廷，韋 高，仲兆宇，吳文鶴

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

文中設計了一種利用線極化輔助天線測量圓極化天線軸比的新方法。該方法基于橢圓極化波的分解理論，使用線極化輔助天線在不同的角度進行三次或三次以上的測量，即可得到圓極化天線的軸比信息。利用該方法對圓極化天線進行實際測試，證明了該方法的有效性。

圓極化天線；軸比；線極化天線；測量原理

對于圓極化天線來說，軸比是其最重要的特性參數之一，所以對其進行準確測量有著相當重要的實際意義。文獻[1]提出一種用線極化輔助天線繞旋轉軸高速旋轉 ,而被測天線繞方位軸慢速旋轉來測量圓極化天線的方法。該方法中，連接線極化輔助天線與其信號饋線的旋轉關節在高頻時的性能會急劇惡化，所以此種方法無法測量工作頻率高于一定頻率的天線。文獻[2]中的方法則要用到天線遠場的相位特性，但是在一般的天線測試場中，幅度測試的精度比較容易保證，而要進行相位的精確測試是不容易的[3]。本文提出利用線極化輔助天線在不同的角度進行3次或3次以上的測量，通過數學方法，計算得到天線的軸比信息。

1 極化與軸比概念

極化是指在與波的傳播方向垂直的平面內,電場強度矢量端點隨時間變化的軌跡[4]。該軌跡為直線、圓、橢圓時，分別被稱為線極化、圓極化、橢圓極化。其中線極化和圓極化為橢圓極化的特例。

軸比定義為軌跡橢圓的長軸和短軸之比，用RA表示。用分貝表示的軸比為20log(RA)，單位為dB。當RA=0 dB時，為圓極化；當RA=∞時，為線極化。

2 測量原理以及方法

圖1 測量示意圖Fig. 1 Measurement diagram

測量示意圖如圖1所示，待測天線被固定在可以繞方位軸自由旋轉的轉臺之上，線極化輔助天線固定于另一側的可以繞電磁波傳播軸向旋轉的轉臺上。

測量步驟：

1)固定線極化輔助天線的極化方向為水平方向，此時，記Φ=Φ1=0，待測天線隨轉臺勻速轉動一周, 測量每個θ角度上的電磁波幅度,得到待測天線在Φ1角度極化時的電磁波幅度E1。

2)使線極化輔助天線繞電磁波傳播軸向旋轉一定角度，此時，記Φ=Φ2，Φ2為此時線極化輔助天線極化方向與水平方向的所成角度，然后重復步驟1)中的測量，得到待測天線在Φ2角度極化時的電磁波幅度E2。

3)重復步驟（2）n-2次，得到待測天線在Φn（n＞2）角度極化時的電磁波幅度En。

在上述步驟中，0≤Φn＜π（n=1,2…）。一般而言，當取n=3時，已經可以通過計算得到該橢圓極化的軸比。

如圖2所示，對于測得的En，其水平豎直兩個分量為Enx和Eny，其中

圖2 橢圓極化波在Φn角度極化時的幅度En及其分量Enx和EnyFig. 2 The amplitude of ellipse polarization microwave En at Φn and its components Enx and Eny

點（Enx，Eny）在軌跡橢圓上，同時由于橢圓自身的旋轉對稱特性，（-Enx，-Eny）也在軌跡橢圓上。由二次曲線的理論可以得到橢圓的一般方程為[5]

將（Enx，Eny）和（-Enx，-Eny）兩點帶入橢圓一般方程，得到

將方程組寫成矩陣形式，則為

其中Emf和Pm均為矩陣，定義如下

當n=3時，根據公式（6）可以直接解出p1、p2、p3、p4和p5這5個系數；當n＞3時，由于相互獨立的方程個數大于未知數個數，公式（6）變為矛盾方程組，此時可采用求解方程最小二乘解的方法[6]通過解公式（9）得到p1、p2、p3、p4和p5這5個系數。

根據二次曲線的理論可知，矩陣C的兩個特征值之比即為橢圓的長軸與短軸之比[7]，其中矩陣C為

3 應用舉例

為了驗證該方法的有效性，在西北工業大學電子信息學院微波暗室內，按照該方法對圖3所示的寬帶圓極化天線進行了測量，并將測量結果與仿真結果做了對比。在實際測試中，取n=4且Φ1=0°、Φ2=45°、Φ3=90°、Φ4=135°。該天線工作于8 GHz到11 GHz，測試了其在8 GHz、9 GHz、10 GHz和11 GHz的軸比。測試結果與仿真結果相符，如圖4所示，證明該測量方法是一種測量圓極化天線軸比的有效方法。

圖3 寬帶圓極化天線Fig. 3 Wideband circular polarization antenna

圖4 實測結果與仿真結果Fig. 4 Measurement result and simulation result

4 結束語

筆者介紹了一種利用線極化輔助天線[8]測量圓極化天線軸比的方法，并在微波暗室內對天線進行了實際測量，證明該方法簡單有效，具有一定應用價值。

[1]Toh B Y.Understanding and Measuring Circular Polarization [J].IEEE Trans on Education,2003,46(3):313-318.

[2]尚軍平,傅德民,蔣帥,等.圓極化天線特性參數測量方法[J].西安電子科技大學學報, 2009,36(1):106-110.

SHANG Jun-ping,FU De-min,JIANG Shuai,et al.Method for measuring the characteristic parameter of the circular polarization antenna [J]. Journal of Xidian University, 2009,36(1):106-110.

[3]張曉平,周懷安. 一種圓極化天線極化特性的幅度精測方法[J]. 航天器環境工程,2009,26(1):67-70.

ZHANG Xiao-ping,ZHOU Huai-an.A method for measuring the amplitude of circular polarization antenna accurately[J].Spacecraft Environment Engineering,2009,36(1):106-110.

[4]丁君. 工程電磁場與電磁波[M].北京：高等教育出版社,2005.

[5]吳光磊,田疇. 解析幾何簡明教程[M]. 北京：高等教育出版社,2003.

[6]關冶,陸金甫. 數值分析基礎[M].2版,北京：高等教育出版社,2010.

[7]王向東,韓普憲,馬合成. 解析幾何常用方法[M].重慶：重慶大學出版社,1994.

[8]朱四桃,易超龍, 朱郁豐,等.TEM喇叭天線末端加載設計及實驗簡[J].現代應用物理,2013(4):343-348.

ZHU Si-tao,YI Chao-long,ZHU Yu-feng,et al.Design and experiment of the TEM horn antenna terminal loading[J].Modern Applied Physics, 2013(4):343-348.

Method for measuring the axial ratio of circular polarization antennas

LI Wen-ting, WEI Gao, ZHONG Zhao-yu, WU Wen-he
（School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an710129, China）

In this paper , a new method for measuring the axial ratio of circular polarization antennas by using a linear polarization auxiliary antenna is proposed. This method is based on the decomposition theory of the ellipse polarization microwave. With three or more measurements at different angles by the linear polarization auxiliary antenna, the axial ratio of circular polarization antennas can be obtained. In addition, a practical test of a circular polarization antenna proves that this method is effective.

circular polarization; axial ratio; linear polarization antenna; measurement theory

TN821+.1

A

1674-6236(2014)07-0077-02

2013-07-31稿件編號201307237

李文廷(1987—)，男，河南洛陽人，碩士研究生。研究方向：微帶反射陣列、天線技術。