圆极化天线轴比的测量方法

李文廷，韦 高，仲兆宇，吴文鹤

（西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710129）

圆极化天线轴比的测量方法

李文廷，韦 高，仲兆宇，吴文鹤

（西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710129）

文中设计了一种利用线极化辅助天线测量圆极化天线轴比的新方法。该方法基于椭圆极化波的分解理论，使用线极化辅助天线在不同的角度进行三次或三次以上的测量，即可得到圆极化天线的轴比信息。利用该方法对圆极化天线进行实际测试，证明了该方法的有效性。

圆极化天线；轴比；线极化天线；测量原理

对于圆极化天线来说，轴比是其最重要的特性参数之一，所以对其进行准确测量有着相当重要的实际意义。文献[1]提出一种用线极化辅助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。该方法中，连接线极化辅助天线与其信号馈线的旋转关节在高频时的性能会急剧恶化，所以此种方法无法测量工作频率高于一定频率的天线。文献[2]中的方法则要用到天线远场的相位特性，但是在一般的天线测试场中，幅度测试的精度比较容易保证，而要进行相位的精确测试是不容易的[3]。本文提出利用线极化辅助天线在不同的角度进行3次或3次以上的测量，通过数学方法，计算得到天线的轴比信息。

1 极化与轴比概念

极化是指在与波的传播方向垂直的平面内,电场强度矢量端点随时间变化的轨迹[4]。该轨迹为直线、圆、椭圆时，分别被称为线极化、圆极化、椭圆极化。其中线极化和圆极化为椭圆极化的特例。

轴比定义为轨迹椭圆的长轴和短轴之比，用RA表示。用分贝表示的轴比为20log(RA)，单位为dB。当RA=0 dB时，为圆极化；当RA=∞时，为线极化。

2 测量原理以及方法

图1 测量示意图Fig. 1 Measurement diagram

测量示意图如图1所示，待测天线被固定在可以绕方位轴自由旋转的转台之上，线极化辅助天线固定于另一侧的可以绕电磁波传播轴向旋转的转台上。

测量步骤：

1)固定线极化辅助天线的极化方向为水平方向，此时，记Φ=Φ1=0，待测天线随转台匀速转动一周, 测量每个θ角度上的电磁波幅度,得到待测天线在Φ1角度极化时的电磁波幅度E1。

2)使线极化辅助天线绕电磁波传播轴向旋转一定角度，此时，记Φ=Φ2，Φ2为此时线极化辅助天线极化方向与水平方向的所成角度，然后重复步骤1)中的测量，得到待测天线在Φ2角度极化时的电磁波幅度E2。

3)重复步骤（2）n-2次，得到待测天线在Φn（n＞2）角度极化时的电磁波幅度En。

在上述步骤中，0≤Φn＜π（n=1,2…）。一般而言，当取n=3时，已经可以通过计算得到该椭圆极化的轴比。

如图2所示，对于测得的En，其水平竖直两个分量为Enx和Eny，其中

图2 椭圆极化波在Φn角度极化时的幅度En及其分量Enx和EnyFig. 2 The amplitude of ellipse polarization microwave En at Φn and its components Enx and Eny

点（Enx，Eny）在轨迹椭圆上，同时由于椭圆自身的旋转对称特性，（-Enx，-Eny）也在轨迹椭圆上。由二次曲线的理论可以得到椭圆的一般方程为[5]

将（Enx，Eny）和（-Enx，-Eny）两点带入椭圆一般方程，得到

将方程组写成矩阵形式，则为

其中Emf和Pm均为矩阵，定义如下

当n=3时，根据公式（6）可以直接解出p1、p2、p3、p4和p5这5个系数；当n＞3时，由于相互独立的方程个数大于未知数个数，公式（6）变为矛盾方程组，此时可采用求解方程最小二乘解的方法[6]通过解公式（9）得到p1、p2、p3、p4和p5这5个系数。

根据二次曲线的理论可知，矩阵C的两个特征值之比即为椭圆的长轴与短轴之比[7]，其中矩阵C为

3 应用举例

为了验证该方法的有效性，在西北工业大学电子信息学院微波暗室内，按照该方法对图3所示的宽带圆极化天线进行了测量，并将测量结果与仿真结果做了对比。在实际测试中，取n=4且Φ1=0°、Φ2=45°、Φ3=90°、Φ4=135°。该天线工作于8 GHz到11 GHz，测试了其在8 GHz、9 GHz、10 GHz和11 GHz的轴比。测试结果与仿真结果相符，如图4所示，证明该测量方法是一种测量圆极化天线轴比的有效方法。

图3 宽带圆极化天线Fig. 3 Wideband circular polarization antenna

图4 实测结果与仿真结果Fig. 4 Measurement result and simulation result

4 结束语

笔者介绍了一种利用线极化辅助天线[8]测量圆极化天线轴比的方法，并在微波暗室内对天线进行了实际测量，证明该方法简单有效，具有一定应用价值。

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

[2]尚军平,傅德民,蒋帅,等.圆极化天线特性参数测量方法[J].西安电子科技大学学报, 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]张晓平,周怀安. 一种圆极化天线极化特性的幅度精测方法[J]. 航天器环境工程,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. 工程电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社,2005.

[5]吴光磊,田畴. 解析几何简明教程[M]. 北京：高等教育出版社,2003.

[6]关冶,陆金甫. 数值分析基础[M].2版,北京：高等教育出版社,2010.

[7]王向东,韩普宪,马合成. 解析几何常用方法[M].重庆：重庆大学出版社,1994.

[8]朱四桃,易超龙, 朱郁丰,等.TEM喇叭天线末端加载设计及实验简[J].现代应用物理,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稿件编号201307237

李文廷(1987—)，男，河南洛阳人，硕士研究生。研究方向：微带反射阵列、天线技术。