本标准适用于天线的极化测量。 SJ 2534.9-1985 天线测试方法 极化测量 SJ2534.9-1985 标准下载解压密码：www.bzxz.net
本标准适用于天线的极化测量。

中华人民共和国电子工业部部标准天线测试方法
极化测量
本标准适用于天线的极化测量。极化的定义及其描述方法
1.1概述
1.1.1极化的定义
SJ2534.9—85
极化是单频电磁场的一种特性，它描述失量端点随时间变化的轨迹的形状和取向。按照惯例，当仅考虑平面波或局部平面波时，只需规定电场矢量E的极化，因为对已知传播方向的平面波，磁场失量H与电场失量E有简单的关系：H=Y.(SxE)
式中：Y。——媒质的特性导纳，在真空中Y。—传播方向的单位失量，
e媒质的介电常数；
一媒质的导磁率。
377=2.66×10-S,
通常在一个小区域内观察天线所辐射的远场，在该区域内场可以近似地看成沿径向离开天线传播的平面波。电场在与传播方向垂直的平面内。它的端点轨迹一般说来是一个椭圆，椭圆可能退化成一段直线或一个圆。相应地，该极化叫做椭圆极化，线极化或圆极化。1.1.2极化椭圆的旋向
在极化平面内（垂直于传播方向）描绘出圆或椭圆的电场矢量端点的旋转方向称为极化方向或旋向。若观察者向传播方向看去，旋转方向为顺时针（反时针)，则这一旋向就称为右旋（左旋），见图1。
中华人民共和国电子工业部1985-01-05发布1986-07-01实施
顺时针
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图1旋向的说明
传播方向
传播方向
1.1.3描述极化椭圆的方法
椭圆极化用极化椭圆的轴比、旋向和倾角来表征。倾角为椭圆长轴相对于它所在平面内某参考方向的夹角。对于平面波，当朝传播方向看极化平面时，倾角从参考方向沿顺时针方向测量。1.1.4天线的极化
天线在给定方向的极化定义为天线在该方向辐射远场的电场矢量E,的极化。在球坐标系中，它在（，中）方向的极化如图2所示。0=0-
天线的位置、
8-90°
$=90°
图2相对于天线坐标系的极化椭圆1.1.5参考方向的选取
极化椭圆取向的参考方向是任意选取的，但通常取u。轴作为参考方向。对大多数天线方向图测量2
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情况，合适的作法是在垂直于被测天线和源天线连线的平面内建立一个局部坐标系。该坐标系的一个轴与测试场表面平行，另一个轴与之垂直。通常把水平轴选作参考方向。本标准采用这一规定。1.1.6局部坐标系的取向
当考察天线接收来自给定方向的人射平面波时，应注意天线所发射的波与人射平面波的传播方向不同。由于极化旋向是相对于传播方向而言的，为了与波的极化定义一致，应使与每个波有关的局部坐标系按下述方法取向。见图3。天线
图3一个天线在发射与接收时极化特性之间的关系E，一天线的远场电失；E，一与天线极化匹配的人射波的电失量，E，一任意极化的人射波的电失量1.1.7天线的接收极化
当由给定方向人射的平面波的功率密度一定时，在天线终端产生最大响应（开路电压，短路电流或有效功率）的入射波的极化称为天线的接收极化。天线的接收极化与天线的极化相同。1.1.8极化效率
若入射平面波的极化与天线的接收极化不同，那么由于这种失配将产生极化损失。通常用极化效率*p来计算极化失配。
极化效率定义为人射波强度相同时天线实际所收到的功率与同一方向上发生极化匹配时所收到的功率之比。
1.1.9共极化与交叉极化
若人射波的极化与天线的接收极化具有相同的轴比、相同的极化旋向和相同的长轴空间取向，则极化效率达最大值，此时，称入射波对天线的接收极化为共极化。若两波的轴比相同、长轴正交和旋向相反，则极化效率为零，此时，称入射波对天线的接收极化为交叉极化。1.2庞卡来球
1.2.1极化的几何表示法
庞卡来球是描绘极化效应的一种有用的直观几何表示法。建立庞卡来球的依据是任意一个波均可分解为两正交分量（它们可以是两个正交线极化，椭圆极化或圆极化分量）。球上的点与所有可能极化是一对应的。
庞卡来球如图4所示，球上任一点W唯一地表示了波的极化状态，W点可由球面上的坐标2、表示：
*这个因子也称为极化失配因子和极化接收因子。3
135°线极化
水平线极化
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左旅圆极化
右旋圆极化
垂直线极化
-45°线极化
图4-个平面波W的极化状态的庞卡来球表示法当W被分解为E（水平线极化）和E（垂直线极化）时t=a
当W被分解为E45-（45°线极化）和E13（135°线极化）时5=8
当W被分解为E，（左旋圆极化）和E（右旋圆极化）时s=y
庞卡来球上的点与所有可能极化的对应关系如图5所示。左旋圆极化
一极点表示圆极化
纬度表示轴比
赤道表示线极化H
下半球右旋向
右旋圆极化
上半球左旋向
45°线极化
经度代表倾角
图5在庞卡来球上表示极化状态
1.2.2复数极化比
复数极化比由下式给出：
p,=prejot
p,=ppejso
pc=pcej8c
（3）
（5）
式中PEtga=Ev/Ew
Pp= tgB=E135*/E4s'1
pc=tgV=Er/ELo
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8、8和6c是相应的正交分量之间的相对相位。圆极化分量的相对相位0c是用左旋圆极化分量的电场矢量在水平方向的那个瞬间，右旋圆极化分量的瞬时电场矢量对水平方向的夹角来定义的，如图6所示。因此两波的电场矢量同时在相同的水平方向时，这两圆极化分量同相。垂直
图6对正交圆分量的相位参考线的定义1.2.2.1椭圆的轴比可以用圆极化比表示为：pe+1
分母的符号表示极化旋向。右旋圆极化》为正，左旋圆极化为负。其倾角由下式给出：t=dc/2
1.2.3极化效率的数字表达式
（8）
如果在庞卡来球上对应于接收天线的极化的点为Ar，对应于人射波极化的点为W，则极化效率可由下式确定：
p=cos-
式中2是图7中A，和W之间的夹角。P也可以用极化比表示：左旋圆极化
水平线极化
右旋圆极化
45°线极化
图7画在庞卡来球上的人射波W和接收天线A，的极化状态p
[1+pwpr2
(1+p)(1+p)
（10）
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式中：w和,是三个极化比、和c中的任意一个。可以看出，此式类似于无耗传输线的失配损失公式。信号源和负载的反射系数分别类似于Pw和P，。用圆极化比和轴比之间的相互关系，极化效率还可以写成：=(1+ pw)(1+y,) +4yw),+(1- ve)(1- p,)cos42(1+w2)(1+y,2)
（11)
式中轴比对右旋圆极化取正值，对左旋圆极化取负值，角度4是两极化W和A,之间的相对相位差(oc)w.,
1.3极化箱和庞卡来球的关系
庞卡来球和极化箱是描述斯托克斯参量的一种图解法，利用它们，可把一组极化参量转换为另外一组极化参量。图8表示极化箱及它和庞卡来球之间的关系。可以证明极化箱的各边和各边的对角线有下面的关系：
边的对角线
Y,=cos2a
Y,=cos2β
Yc=cos2y
X,=sin2a
Xp=sin2β
Xc=sin2y
下面举例说明极化参量之间的转换，设pt和S,从测量已知，pc、c、>和倾角是待求量。从极化箱可以看出：
Ye=X,sind,
左旋圆极化
线极化
水平线极化
所以有：
从e的定义，可以算得：
图8极化箱及其与庞卡来球的关系cos2y=sin2asind,
a=arctgpy
这样就可确定”，由此Pc可用下式计算：pc=tgy
oc=arc cos
=arccos
（12)
（14)
于是核对一下极化箱即可消除仅由它的余弦来定义的c的多值性。Pc和8c一经确定，轴比>和倾角就可从下式得到：
1.4极化的单位失量表示法
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T=0c/2
1.4.1以矩阵表示极化单位失量的一股形式(17)
对某些应用，以单位失量来表示场的极化是有利的。例如波W可按两正交椭圆极化表示为：W
Egeide
sinpeide
当E和E为（H，V）、（45，135°）或（L，R）时，p和分别为（a，）、（B,.oD）或（V，8c。
为了说明极化失量的应用，射波W和天线的接收极化A,用圆极化分量表示为：W
天线对波的归一化电压响应为：OSyH
(sinywej(oc)w
siny.ej()
Vi+pewl
=(A, W)=Atw
式中上标+表示转置的复数共轭（注意V是相量）。矩阵运算得出： =cosywcosy,(1 + pcwpe,*)
=cosy.cosyw+siny,sinywei4,
式中Pc，*为Pc的复数共轭。而
4= (dc)w-(8c), =2(Tw-T,)
极化效率由下式给出！
式中*为的复数共轭。
p=00*= [[2
（20）
用失量法确定极化效率的过程如下，把来波的功率密度和天线的有效口径各自分解成与两正交极化对应的两分量，使得来波的每一分量与天线有效口径的相应分量是极化匹配的。一般说来，由成对极化匹配分量产生的部分响应未必相加，从而得到最大值。极化匹配的条件是\，=vw和4=0，此时：p =|3=(cos-y+siny)2=1 .
·（26)
2极化测量
2.1概述
2.1.1极化测量的必要性
设计用于指定极化的天线辐射方向图，通常用该极化的场分量来描述。这种描述是不够全面的，因为还可能存在交叉极化分量。要完整地描述，必须以方向为变量对极化加以测量。尤其在偏离主波束峰值的方向上，极化与设计值可能有很大差别，即使在主波束上，它的变化也可能相当大。2.1.2极化测量方法的分类
天线极化的测量方法大致可分为三类，。得到天线极化特性的部分数据；b.
得到完整的极化数据，但需要与一个极化标准进行比较；得到完整的极化数据，但不需要极化标准，或预先知道测量用天线的极化特性。c.
第二类方法叫做转移法或比较法，第三类方法叫绝对法。选择何种方法取决于被测天线的类型、所要求的精度、所要求的极化数据的多少、供测量用的时间和可允许的费用。2.1.3极化测量的具体方法
具体的极化测量方法有下面几种a：极化方向图法；
b.旋转源法：
c.多重幅度分量法；
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d相位幅度法。
要完整地描述天线的极化特性，必须确定天线所辐射波的极化椭圆（轴比和倾角）及电场矢量的旋向。波的极化状态可用庞卡来球上唯一的点来表示。某些测量方法得不到完整地描述波的极化状态的充分数据，因此庞卡来球上的唯一点就确定不了。例如，当轴比和倾角已测定，但旋向未确定时，就分不清庞卡来球的上下半球的两个共轭点中1究竞是哪个点。当旋向已知，或极化接近于线极化即两个共轭点靠近亦道时，数据就充分了。2.1.4系统的稳定性
应该注意，下面讨论的某些方法需要顺序测量；对第二次测量来说，需要旋转一个或多个天线。因此就提出系统的稳定性问题，因为系统中频率或增益的任何变化都会产生测量误差。当必须在大视区范围内对天线进行定标时，如近场探测法，测量误差特别严重。对这些方法必须有一个极稳定的信号源。要达到所需的频率稳定度，可采用频率综合器和锁相技术。对于同时进行多项测的那些极化测量方法，不需要这样高的频率稳定度。2.2极化方向图的测量
2.2.1测量方法
用极化方向图法可确定倾角和轴比值，但不能确定极化的旋向。对于这种测量，被测天线可按接收或发射方式工作。若按发射方式工作，该方法实质上就是在垂直于人射方向的平面内旋转偶极子或其他线极化探测器，测量其相对电压响应「1。当系统为极化匹配时，个「值为1。2.2.2极化方向图的定义
以线极化探测天线的接收极化为倾角画出的丨「值曲线叫做极化方向图（见图9）。极化方向图在长轴和短轴的端点与场的极化椭圆相切，因此就确定了入射波的轴比值和倾角。极化方向图
极化翻圆
图9波的极化方向图
2.2.3方法的说明
可用庞卡来球来说明如下。例如，如图10所示，入射波W的极化位于该球上。旋转线极化探测天线的接收极化A，始终位于球的赤道上。相对响应！|的平方根等于W和4,之间来角之半的余弦，如图10所示。当A,的倾角旋转时，A,在球上的位置在赤道移动，使！个|值变化。画出「「对倾角的函数关系，就得到极化方向图。应当注意，若W位于下半球的共轭点W，处，也得到相同的极化方向图，为避免混淆，要测量极化旋向。8
由于响应
(oc),=2r.
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左旋圆极化
右旋园极化
图10用庞卡来球表示的极化方向图法4=(0c)w-(c),
=cosy,cos yw+ siny,sinywei4
4 = (8c)w-(dc),=2(TW-T,)
故也可以从极化失量公式得到极化方向图。这可用图11的相量图来说明，当t，变化时，「「值也相应地变化，画出！对t，的函数关系，即得极化方向图。复平面
Cosy,Co5YW
图11用极化矩阵结果得出的极化方向图s =(oc)w-(oc),
系统的极化效率等于1，因此极化效率能直接从极化方向图得到。如果被测天线打算用在个系统中，该系统备有空间取向已知的线极化天线，这是一个有用的结果。极化方向图法的缺点是当被测天线固定不动时，探测器天线要旋转360°，故不便于得到作为方向函数的极化数据。2.3旋转源法
2.3.1测量方法
用旋转源法可以确定轴化（而不是旋向或倾角）对方向的函数关系。该方法是当被测天线观察方向改变时，线极化源天线连续旋转。此法对测量近圆极化天线有很大的价值。源天线的旋转造成入射场的倾角Tw以同样的速率旋转。当按6或切割和记录时，旋转速率Tw应比6或高得多。应使记录系统的时间响应跟得上1的变化。这种方法可以推广到方向图的螺旋切割方式中（此时tw、和都9
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在变化。且TwΦ6），从而基本上使天线所有方向上的轴比可记录在一张轴比方向图上。2.3.2实例
用旋转源法得到椭圆极化天线的方向图如图12所示。若幅度的变化用分贝表示，则在方向图上所记录的任意方向的轴比（也以分贝表示）是幅度偏移包络线的宽度。该特定天线在轴向（6=0°）基本上是圆极化的，而在旁瓣的最大值方向是椭圆极化的。10
2.3.3测量误差
角度（9）
图12作为角度的函数的连续扫描的极化方向图源天线的反射及多径效应会引人测量误差。例如，当反射波场强比直射波场强低40dB时，所引人的轴比测量误差约为0.17dB。
2.4，多重幅度分量法
2.4.1测量方法
采用多重幅度分量法无需测量相位就可完整地测定极化。已经证明：波的极化可以用4个不同然而已知极化的天线的响应幅度来确定。对采样天线极化来说，最方便的是选择水平或垂直线极化、45°或135°线极化、左旋或右旋圆极化和不同于这一组6个分量的任何第4个分量。这些采样天线应有已知的增益，并且要对测量设备适当地加以校准以补偿增益的差别。从这些数据就可以完全确定波的极化，即被测天线的极化。斯托克斯参量可用图解法或线性方程组求得。2.4.2方法的说明
通常测量极化比的数值较为方便，因此六个分量都用上了。这种方法可用图13所示的庞卡来球来说明。测出线极化比、对角线极化比和圆极化比（分别是Pz、Pp、Pc）。由这些数据确定角度2α，2β和2V。这些角度限定了庞卡来球上对应于极化比为PL、P,和Pc的所有可能极化的轨迹。三个轨迹的公共交点确定了波的极化。10
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左旋圆极化
右旋圆极化
图13极化测量的多重幅度分量法若>为正，则旋向为右旋，√为负，则旋向为左旋。复c+
用pc确定轴比和旋向，因为=
数圆极化比的相角用下式计算：Y,
Be=arctg
其中Y，和Y从极化箱求出：
因倾角是c之半，故极化就完全确定了。2.4.3方法的改进方案
(1-pp\)
(1+pp\)
(1-pr)
(1+p,2)
如果不要求测量旋向，则可用多重幅度分量法的改进方案（它只需用一个单独的线极化天线进行测量）来确定被测天线整个辐射方向图内的轴比和倾角。被测天线的方向图用以0°（水平）、45°90°（垂直）和135°取向的源天线进行测量。由这些数据算出p和pD，从而得出c，随之即可确定倾角。从极化箱可知，轴比为：
y=-ctgawww.bzxz.net
式中：
arc.cos(Y+Y)%
对高精度的结果来说，线极化天线应是一个极化标准。2.5相位-幅度法
2.5.1测量方法概述
用相位-幅度法，可以同时测出定义完整极化所需的全部数据，通过整个一组方向图切割，操作一次就可测得天线的全部极化方向图和辐射方向图。所需的测量设备如图14所示。用双极化接收天线对被测天线的场进行采样，此时被测天线按发射方式工作。接收机的输出是采样天线的每一极化的响应幅度及其相对相位。如果两极化正交，就可求得复数极化比。采样天线的极化应是已知的。且两个天线-接收机通道的增益应相同。11
2.5.2自动测试
被测天线W
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双极化采样天线
混频器
幅相接收机
混频器
图14极化测量的相位-幅度法的测试设备通常，设计一个已知极化的纯极化采样天线在经济上是不合算的。若测试场备有带计算机的自动测试设备，就不必采用精确的线极化或圆极化天线。因为只要采样天线的实际极化是已知的，测量数据可通过计算来修正。例如，假设测量需要一个正交圆极化采样天线，但实际采样天线只是近圆极化，但不是理想圆极化的。只要极化旋向已知，该采样天线的极化可用改进的多重幅度分量法测量，将这些数据送到计算机，即可设计计算机软件对采样天线的特性进行自动补偿。2.5.3极化调整网络
若天线测试场不是自动化的，也未配备计算机，则可用另一种方法，即在采样天线外部用一个极化调整网络，以获得所需的极化。一个典型的采样天线可由两个正交线极化天线构成。例如，它们可以对同一反射器天线馈电。天线与幅相接收机的输人端连接。最简单的极化调整网络是在每个通道中串接一个衰减器和一个移相器。这些网络可以设计在射频工作，并把它串接在采样天线和接收机的混频器之间。此外，网络还可以设计在中频工作，这样同一网络可用于接收机所覆盖的任意频率上。如果测量系统能够进行数字式的数据记录，有合适的计算机可用，则可以利用数字式极化校正网络。如果要求用右旋或左旋圆极化，则可用极化方向图法对网络进行调整。可以用一个标称的线极化参考天线。通常圆极化的调整精度受到测试场的反射、对不准等的限制。当要求精密测量时，为了调整两个通道的增益，需要有一个极化标准。若用线极化标准，则把两通道的输出信号调到相等，对于水平线极化，Sc调到零度。可用把标准天线旋转360°的方法来检验这个系统，输出电平应保持不变，而相角c应始终是该标准旋转角度的2倍。旋转角度是相对于水平方向的量度。2.5.4用圆极化采样天线进行测量用圆极化采样天线测量被测天线的极化可用图15的庞卡来球来加以说明。由测量得到复数圆极化比为：
左旋圆极化采样天线
被测天线
右族圆极化采样天线
图15用圆极化天线作相位幅度测量tgy
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