电磁波极化

电磁波极化       电磁波电场强度的取向和幅值随时间而变化的性质， 在光学中称为偏振。如果这种变化具有确定的规律，称电磁波为极化电磁波（简称极化波）。如果极化电波的电场强度始终在垂直于传播方向的（横）平面内向，其电场矢量的端点沿一闭合轨迹移动，则这一极电磁波称为 平面极化波。电场的矢端轨迹称为 极化曲线， 并按极化曲线的形状对极化波命名。　　极化的类型对于单一频率的平面极化波，极化曲线是一椭圆（称极化椭圆），故称 椭圆极化波。顺传播方向看去，若电场矢量的旋向为顺时针，符合右螺旋法则，称右旋极化波；若旋向为逆时针，符合左螺旋法则，称左旋极化波。按极化椭圆的几何参数（见图）,可直观地对椭圆极化波作定量描述,即轴比ρ(长轴与短轴之比，)、 极化方向角ψ(长轴的斜角)和旋向（右旋或左旋）。轴比等于1的椭圆极化波称 圆极化波，其极化曲线是一个圆，也分右旋或左旋两种旋向。这时极化方向角不确定，代之以电场矢量初始取向的斜角β。轴比趋于无穷大的椭圆极化波称 线极化波,其电场矢量的取向始终位于一条直线上,这条直线的斜角就是极化方向。这时旋向失去意义，代之以电场强度的初始相位δ。

　　极化的分解任何一个椭圆极化波都可以分解成一个 右旋圆极化波（用足标R表示）和一个 左旋圆极化波（用足标L表示）之和。这两个圆极化波分量的电场矢量有不同的幅值ɑR和ɑL，以及不同的初始取向βR和βL，可用复数反旋比Z表示它们的相对关系

 　模值|Z|=ɑL/ɑR简称反旋比。如果将线极化波分解成两个旋向相反的圆极化波，则两者的幅值相等(|Z|＝1)，且初始取向对称于线极化波的取向（βL+βR＝2ψ)。

　　任何一个椭圆极化波还可以分解成两个取向正交的线极化波之和。通常，其中一个线极化波在 水平面内取向（且垂直于传播方向），称 水平极化波（用足标H表示）；另一个线极化波的取向同时垂直于上述水平极化波的取向和传播方向,称 垂直极化波(用足标V表示)（仅当传播方向在水平面内时，垂直极化波的电场矢量才沿 铅垂线取向）。这两个线极化波分量的电场矢量有不同的幅值ɑH和ɑV,以及不同的初始相位δH和δV。可用复数极化比表示它们的相对关系

　　模值||=ɑH/ɑV简称极化比。如果将圆极化波分解成两个取向正交的线极化波，则两者的幅值相等(||＝1),且相位差保持±π/2（ 正负号取决于圆极化波的旋向）。

　　极化圆图同一个椭圆极化波，既可以直接用极化椭圆的几何参数，又可以用两个反旋圆极化分量或两个正交线极化分量之间的参数作定量的描述。因此，在这些参数之间存在着确定的转换关系

　　对比均匀无耗 传输线问题,若ρ表示 电压驻波比、Γ表示电压 反射系数、Z表示 归一化 输入阻抗，则(3)、(4)两式恰是传输线的基本关系式。于是,圆图可用作分析和计算传输线的各种图解工具。特别是各种 阻抗圆图如 史密斯圆图、卡特圆图等，也可以应用于电磁波极化参数的分析和计算，并相应地改称为极化圆图。

　　此外,根据轴比ρ、极化方向角ψ和极化比|Z|、线极化分量相位差（δH-δV）之间的关系式，还可以建立单位球表面各点与各种椭圆极化状态之间的一一对应关系。这种标有极化状态的单位球称为庞加莱球，极化圆图实质上就是这个球面上各种极化参数的 等值线在 赤道平面上的投影。

　　极化的利用发射和接收电磁波的天线都具有确定的极化性质，可根据其用作发射天线时在最强辐射方向上的电磁波极化而命名。例如，水平或垂直极化天线幅射水平或垂直 极化波；右旋或左旋（椭） 圆极化天线辐射右旋或左旋（椭）圆极化波。通常为了在收发天线之间实现最大的功率传输，应采用极化性质相同的发射天线和接收天线，这种配置条件称为极化匹配。有时为了避免对某种极化波的感应，采用极化性质与之正交的天线，如垂直极化天线与水平极化波正交；右旋圆极化天线与左旋圆极化波正交。这种配置条件称为极化隔离。

　　两种互相正交的极化波之间所存在的潜在的隔离性质，可应用于各种双极化体制。例如，用单个具有双极化功能的天线实现双信道传输或收发 双工；用两个分立的正交极化的天线实现 极化分集接收或体视观测（如 立体电影）等。

　　此外,在遥感、雷达目标识别等信息检测系统中, 散射波的极化性质还能提供幅度、相位信息之外的附加信息。　　

　　 电磁波辐射的电场矢量方向可按旋转或线性方式变化，对应的两种电磁波分别被称为圆极化波和 线极化波。圆极化包含相互正交的左旋和右旋两种 极化方式，线极化包含相互正交的水平和垂直两种极化方式。

　　在相同的频段同时使用水平和垂直（或者左旋和右旋）这两种相互正交的极化方式，被称为 交叉极化频谱复用。采用交叉极化频谱复用方式的 通信卫星可以双倍利用频谱资源。

　　地区性和国内通信卫星多采用双线极化复用方式。 国际卫星组织的C频段 转发器多采用双圆极化复用方式。

　　国际电联分配的电视直播频段采用双圆极化复用方式。由于圆极化电波在穿越雨区时，更容易产生 去极化效应，降低交叉极化隔离度。国际电联规定， 广播卫星在经过协调后，也可以改用双线极化复用方式。

　　卫星电视接收系统，主要由 抛物面天线，馈电源， 卫星接收机，变频器、 低噪声放大器等装置组成，其工作过程为：抛物面天线接收到微弱的信号，经 抛物面无线的反射汇聚到其焦点，由馈电源（馈源）输送至低噪声放大器，放大后的信号送入变频器，把 信号频率降为950MHz～1450MHz，然后经 同轴电缆送到 卫星电视接收机，选择一个频道的节目再经放大混频，解调等送入监视器或电视地面 传输系统。卫星电视接收系统如下图所示：

　　 卫星电视接收系统

　　抛物面天线的作用是把微弱的卫星电视信号聚焦在其焦点上，在其焦点处可以使信号强度增加20万~50万倍。要把天线准确的对准卫星的发射波束，同一地区，接收不同卫星的电视信号，或不同地区接收同一颗卫星的电视信号，抛物面天线的 方位角和俯仰角是不一样的。接收天线的方向与该卫星的位置（经度）、接收点的位置（经度、纬度）有关。在调试时要根据卫星的资料，调整天线的俯仰角和方位角，使天线对准转发器的方向，同时用监视器观察电视信号的质量，调好后要拧紧固定螺丝把天线位置固定下来。抛物面天线有板状和网状之分，板状增益，但重量重、风阻大，对安装基座的强度有一定的要求，适合在地面安装；网状增益小，但重量轻，价格低、风阻小，对安装基座无特殊要求，可安装在楼顶等位置。天线口径从1.2米～8 米有多种型号，直径越大，接收汇聚效果越高。一般个体接收可以使用直径在2m以下的天线。

　　馈源的作用是用来接收天线汇集反射的信号并将其转化为 高频电流。为了提高卫星的传输容量减少干扰， 卫星广播使用两个相互正交的电磁波，即垂直极化波和水平极化波传送信号。为了使接收 天线极化匹配， 天线馈源 极化器的 极化方向要和卫星辐射的极化波的极化相同。

　　天线系统的调整一般是先调整好 卫星接收天线的仰角、馈源的位置、馈源极化器的极化方向与 极化角，在缓慢转动天线的方位角，在相应位置附近扫描，在监视器上看到图像清晰、声音洪亮、没有杂波与噪声。

　　从低噪声放大器，经过 下变频后的信号虽经过两级放大，但仍很微弱，为了减少干扰，卫星电视接收机和抛物面天线的距离不要超过50米。

　　线极化波又有 水平极化波和 垂直极化波之分。电场的两个分量没有相位差(同相)或相位差为180度(反相)时，合成电场矢量是直线极化。当 电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。若电场矢量在空间描出的轨迹为一个圆，即电场矢量是围绕传播方向的轴线不断地旋转，则称为圆极化波。圆极化波可由两正交且具有90度相位差的分量合成产生，根据矢量端点旋转方向的不同，圆极化可以是右旋的，也可以是左旋的。具体判断可按如下方式进行：将右手大拇指指向电磁波的传播方向，其余四指指向电场强度E的矢端并旋转，若与E的旋转一致，则为 右旋圆极化波；若与E的旋转相反，则为 左旋圆极化波。不同极化(偏振)可看作若干个具有同传播方向同频率的平面电磁波合成的结果。若场矢量具有任意的取向、任意的振幅和杂乱的相位，则合成波将是杂乱的。

　　在 移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式，雷达、导航、制导、通信和 电视广播上广泛采用 圆极化波。因为一个线 极化波可以分解为两个振幅相等、旋向相反的圆极化波，一个 椭圆极化波可以分解成两个不等幅的、旋向相反的圆极化波，用圆极化天线来接收信号的话，不管发射的极化方式如何肯定能收到信号，不会出现失控的情况。　　在工程应用上接收极化波时，天线上均装有极化器，它是完成线极化或圆极化变化的器件。在结上有两种：一种是在波导内插入介质片，另一种是在圆波导中通过轴线的纵面内对称插入多颗螺钉构成，也称作 移相器。当接收圆极化波时，调整波导内的移相器位置可完成左旋圆极化和右旋圆极化的接收；当接收线极化波时，去掉波导内移相器，调整 高频头在馈源支架中的左右活动方向（高频头已与馈源相连接），便可完成水平或垂直极化波的接收。在接收线极化波的情况下，将移相器取下的目的是：当卫星接收天线接收线极化波时，即使将移相器与波导垂直（可收线极化波），不移相也会产生损失，会使天线噪声增加。这也是目前市场上销售接收线极化波的中小口径天线的波导内没有移相器的原因之一。所以，若移相器是螺钉对称排列的，用 螺丝刀将其全部旋出与圆波导内壁持平即可。

　　凡是能减弱或消除极化过程的作用称为 去极化作用。在溶液增加去极剂的浓度、升温、搅拌以及其它降低活化 超电压的措施都将促进阴极去极化作用的增强；阳极去极化作用是指减少或消除阳极极化的作用，例如搅拌、升温等均会加快金属阳离子进入溶液的速度，从而减弱阳极极化。溶液中加入 络合剂或 沉淀剂，它们会与 金属离子形成难溶解的络合物或沉淀物，不仅可以使金属表面附近溶液中金属离子浓度降低，并能一定程度地减弱阳极 电化学极化。如果溶液中加入某些活性 阴离子，就有可能使已经钝化了的金属重新处于活化状态。　　显然，从控制腐蚀的角度，总是希望如何增强 极化作用用以降低腐蚀速度。但是对于电解过程，腐蚀加工，为了减少能耗却常常力图强化去极化作用。用作 牺牲阳极保护的材料也是要求极化性能越小越好。