电磁波极化及其应用

作者简介：谭悦（1994-），女，北京，北京邮电大学学生，[e-mail]电磁波极化及其应用谭悦（北京邮电大学，北京市，100876）摘要：极化是电磁波的重要特性，是电磁场与电磁波课程教学中的重点内容之一。本文介绍了电磁波极化的几种不同形式，讨论了线极化、圆极化、椭圆极化电磁波的合成与分解，说明了左旋圆极化波和右旋圆极化波旋向的判定方式。电磁波极化在通信、导航和雷达等方面有着重要应用。因此，本文着重讨论了电磁波极化在通信、雷达和抗干扰等方面的应用。关键词：电磁波；极化；无线电；通信；广播PolarizationofelectromagneticwaveanditsapplicationsTANyue（SchoolofScience,Beijinguniversityofpostsandtelecommunications,Beijing,China）Abstract:Polarizationistheimportantcharacteristicofelectromagneticwaveandoneofthekeycontentsinthecourseofelectromagneticandelectromagneticwaves.Severaldifferentformsofelectromagneticwavepolarizationareintroducedinthispaper.Andthesynthesisanddecompositionofelectromagneticwaveoflinearpolarization,circularpolarizationandellipticalpolarizationarediscussed.Themethodtojudgetherotationdirectionofthecircularpolarizedwaveandtherightcircularpolarizedwaveisdescribed.Theelectromagneticwavepolarizationhasimportantapplicationsincommunication,navigationandradar.So,theapplicationofelectromagneticpolarizationincommunication,radarandanti-jammingisdiscussedinthispaper.Keywords:electromagneticwave;polarization;radio;communication;broadcast在二十世纪五十年代初已有人开始研究电磁波的极化状态。近二十年，在通信、导航和雷达等方面逐步得到应用，并获得许多推动科学发展的成果。虽然在电磁场与电磁波教材中，电磁波极化的定义有不同的描述，但其基本含义相同，即极化是指在空间固定点处电磁波电场强度矢量的方向随时间变化的方式，通常根据电磁波电场强度矢量的端点随时间在空间描绘的轨迹分类。一般分为直线极化、圆极化和椭圆极化等方式。而根据极化轨迹的绕行方向，圆极化和椭圆极化又分为左旋和右旋两种。本文解释了几个有关极化的基本概念和集中在无线电频率范围内的电磁波极化的应用。1电磁波的极化直线和圆可以看作椭圆的特殊形式。因此，可以用椭圆极化的公式讨论各种极化问题。根据电磁波理论，沿+z轴方向传输的正弦平面电磁波的电场强度可以表示为𝐸⃗=𝐸𝑥𝑒𝑥⃗⃗⃗+𝐸𝑦=𝐸𝑥𝑚cos(𝜔𝑡−𝑘𝑧)𝑒𝑧⃗⃗⃗+𝐸𝑦𝑚cos(𝜔𝑡−𝑘𝑧±𝜙)𝑒𝑦⃗⃗⃗⃗（1）Ey与Ex分量的相位差为Δφ=𝜑𝑦−𝜑𝑥=(𝜔𝑡−𝑘𝑧±𝜙)−(𝜔𝑡−𝑘𝑧)=±𝜙(0𝜙𝜋)（2）求解式（1）得电场强度矢量变化轨迹方程为𝐸𝑥2𝐸𝑥𝑚2+𝐸𝑦2𝐸𝑦𝑚2−2𝐸𝑥𝐸𝑦𝐸𝑥𝑚𝐸𝑦𝑚cos𝜙=sin2𝜙（3）此式为关于Ey与Ex的椭圆方程，任意时刻在垂直于z轴的横截面上，其图形为椭圆轨迹。电场强度矢量的振幅、与+x轴的夹角（方向角）以及椭圆长轴与x轴的夹角（倾斜角θ）分别为𝐸𝑚=√𝐸𝑥𝑚2cos2(𝜔𝑡−𝑘𝑧)+𝐸𝑦𝑚2cos2(𝜔𝑡−𝑘𝑧±𝜙)（4）α=tan−1[𝐸𝑦𝑚𝐸𝑥𝑚(cos𝜙∓tan(𝜔𝑡−𝑘𝑧)sin𝜙)]（5）tan2𝜃=2𝐸𝑥𝑚𝐸𝑦𝑚𝐸𝑥𝑚2−𝐸𝑦𝑚2cos𝜙（6）式（1）~（6）即为分析平面电磁波极化特性的理论基础。1.1线极化令ϕ=0，即Ey与Ex分量同相，并选观察点为z=0平面，代入式（3）~（6）得电场矢量变化轨迹、电场强度矢量的振幅及其方向角、倾斜角分别为𝐸𝑥−𝐸𝑦𝐸𝑥𝑚𝐸𝑦𝑚=0𝐸𝑚=√𝐸𝑥𝑚2+𝐸𝑦𝑚2cos𝜔𝑡α=θ=tan−1(𝐸𝑦𝑚𝐸𝑥𝑚)0（7）ϕ=π时，情况类似，不作叙述。上述结果表明，当Ey与Ex分量同相或反相时，电场强度的振幅随时间变化，但方向角与时间无关，即电场强度矢量尖端描绘的轨迹是一条直线，称作直线极化波，如图2所示.当Ey与Ex分量同相时，方向角为正，反相时方向角为负。当Ey与Ex分量的振幅相等时，方向角为±45°。1.2圆极化令ϕ=π/2且Exm=Eym=E0，选观察点为z=0平面，代入式（3）~（5）得电场矢量变化轨迹、电场强度矢量的振幅及其方向角和倾斜角分别为Ex2+Ey2=E02Em=E0α=∓ωt（8）式（8）第一式为圆方程，圆半径为E0，而方向角随时间以角速度ω匀速变换，电场强度矢量尖端描绘的轨迹是圆，称作圆极化波。2圆极化旋向根据式（2）和式（8），圆极化方向角与相位差Δφ的关系为α={−𝜔𝑡，Δφ=π/2𝜔𝑡，Δφ=−π/2（9）这里的相位差是Ey相对于Ex分而言的，换句话说，就是以Ex分量做相位参考，当Δφ=π/2时，方向角随时间增大而减小，电场强度矢量做逆时针方向旋转，为左旋圆极化波；当Δφ=-π/2时方向角随时间增大而增大，电场强度矢量做顺时针方向旋转，为右旋圆极化波。这样，根据Ey和Ex分量的相位关系便可确定圆极化波的旋转方向。3电磁波极化的应用3.1利用极化实现最佳发射和接收无线电技术中，利用不同极化的电磁波具有不同的传播特性，结合收发天线的极化特性，可实现无线电信号的最佳发射和接收。例如，中波广播采用垂直极化波。在工程上以大地作参照物，电场垂直于大地的电磁波叫垂直极化波，而电场平行于大地的电磁波叫水平极化波。中波广播之所以采用垂直极化波，是因为中波广播的传播方式为地面波传播，而电场垂直于地面的线极化波沿地球表面传播时，其损耗远小于电场平行于地面传播时的损耗。故调幅电台发射的电磁波的电场强度矢量是与地面垂直的线极化波，收听者想得到最佳的收音效果，应将收音机的天线调整到与电场平行的位置，即近似与大地垂直。电视、调频广播和短波广播一般采用水平极化方式。电视信号和调频广播为空间直接波传播，不是地面波传播，不同于上述水平极化波在地球表面传播损耗大的情况。远距离的短波广播为电离层反射传播方式。采用水平极化的主要原因是：1）工业电磁干扰大多为垂直极化的，采用水平极化有利于抗干扰；2）对于山丘和城市大建筑物阻挡造成信号传播的阴影区，当接收天线离地面高度大于一个波长时，水平极化电磁波的绕射能力比垂直极化略好一些；3）架设水平极化天线时的支持物（如铁杆、塔等)及垂直馈线等的感应场的再辐射对天线特性影响较小。3.2利用极化技术提高通信容量在通信中，为了在有限频带范围内尽量提高可用信道数，增加信道容量，提高频率利用率，减少波道间干扰，目前广泛采用的频率复用技术之一是在同一传输链路上，利用电波的正交极化隔离，把互相正交极化的相邻两条信道安排在同一频段上，这样使频率利用率提高了一倍。广播电视卫星一般都有几十个转发器，这些转发器发送的下行信号的极化方式，一半为水平线极化，一半为垂直线极化；或一半为左旋圆极化，一半为右旋圆极化。变替使用两种不同的极化方式可以安排更多的射频通道，扩大广播电视卫星的容量。对应的地面接收天线一般采用双极化天线。以往研究极化分集技术主要是为了抗衰落，然而多径散射的存在，却为更多信息的传输提供了可能。研究表明，在城市密集区的散射环境下，收发两点间存在多径散射，在接收端空间所有的3个方向上会产生附加的极化状态，选用“三振子”的复合天线系统，3副天线正交放置，相比于传统的使用双极化天线，可以获得3倍的信道容量，也即散射的存在使得我们可以利用3个电场极化信道进行无线通信。3.3极化在雷达目标识别、检测和成像中的应用雷达采用变极化技术后，可从目标回波中提取关于目标的更多信息，从而为雷达目标识别提供新的条件。合成孔径雷达也已采用多极化技术获取目标更多的信息，使成像更加清晰，目标的识别率更高。3.4极化在抗干扰中的应用对于单一极化的干扰，一般来说，只要将接收天线的极化改变成与干扰电波极化相正交，即可在很大程度上抑制干扰。对于极化正交的双通道系统，采用复加权对两路极化正交信号进行求和，合成的等效极化状态可以抑制干扰，采用的电路称为极化滤波器。4结论以上讨论了电磁波的线极化、圆极化、椭圆极化的合成与分解，以及电磁波圆极化旋向的判定。电磁波的极化特性无线电的许多领域都有着十分广泛的应用。由此可以看出，极化理论有着十分重要的意义和光明的前景。参考文献：[1]王被德.电磁波的极化及其应用[J].电波科学学报,1999,14(3):347-356.[2]贾建科,聂翔,韩团军.电磁波极化实验的改进[J].电气电子教学学报,2011,33(3):84-86[3]伍刚,张小平.基于电磁波极化合成与分解的研究[J].攀枝花学院学报,2008,25(3):76-79