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電波的極化特性 | |
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????由天線輻射原理可知，自由空間電磁波通常以電場(chǎng) ??? （一）線極化 ????在三維空間，沿 Z 軸方向傳播的電磁波，其瞬時(shí)電場(chǎng)可寫(xiě)為：
（3-8） ????若
（3-9） ????這是一個(gè)隨時(shí)間變化而變化的量，合成矢量的相位θ為：
（3-10） ????合成矢量的相位為常數(shù)?？梢?jiàn)合成 矢量 ???? ???（二）圓極化 ????若
（3-11） ????是常數(shù)，而相位隨時(shí)間t而變化：
（3-12） ????故合成矢量端點(diǎn)的軌跡為一個(gè)圓。 ????根據(jù)電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向不同，圓極化可分為右旋和左旋兩種。觀察者沿波的傳播方向看去，電場(chǎng)矢量在截面內(nèi)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)（滿(mǎn)足右手定測(cè)）稱(chēng)右旋極化如圖3-17（c），逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)（滿(mǎn)足左手定測(cè)）稱(chēng)左旋轉(zhuǎn)化如圖3-17（d）。 ????因此，若 ???（三）橢圓極化 ????若 ????根據(jù)電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向不同，橢圓極化和圓極化可分為右旋和左旋兩種。觀察者沿波的傳播方向看去，電場(chǎng)矢量在截面內(nèi)順時(shí)針?lè)较蛐Q(chēng)右旋極化，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)稱(chēng)左旋轉(zhuǎn)化。 ????電波的極化特性是由發(fā)射天線決定的，反過(guò)來(lái)不同極化的電波則要求天線與之極化匹配，即線極化天線只能輻射或接收線極化波，并且，水平極化天線只能接收由水平極化天線輻射的水平極化波，不能接收由垂直極化天線輻射的垂直極化波，反之亦然。圓極化天線只能發(fā)射或接收?qǐng)A極化波，并且，右旋圓極化天線只能接收右旋圓極化天線發(fā)射的右旋圓極化波，而不能接收左旋圓極化波，反之亦然。衛(wèi)星電視廣播有的用線極化波，有的用圓極化波。一般衛(wèi)星電視接收天線都設(shè)計(jì)成能工作于接收線極化和圓極化波兩種狀態(tài)。
(a) 垂直極化???? ????(b) 水平極化
(c) 右旋圓極化???? ???? (d) 左旋圓極化
(e) 右旋橢圓極化 ???? ????(f) 左旋橢圓極化 圖 3-17 波的某些極化狀態(tài) ????值得注意的是，若衛(wèi)星電視廣播的電磁波為右旋圓極化波，但右旋圓極化波經(jīng)反射面一次反射則變?yōu)樽笮龍A極化，所以，進(jìn)入前饋天線饋源的圓極化是左旋的。對(duì)于后饋天線而言，入射波經(jīng)主、副反射面二次反射后，仍然為右旋圓極化波。 | |
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???3.4.2 極化轉(zhuǎn)換器原理與結(jié)構(gòu) ????由于天線饋源輸出端通常要與帶有矩形接口的室外接收單元聯(lián)接，所以，反射面天線的饋源通常需要一段極化轉(zhuǎn)換器和矩圓過(guò)渡波導(dǎo)，如圖3-18所示。對(duì)于接收采用園極化波的衛(wèi)星廣播信號(hào)，裝在接收天線饋源后的極化器先將圓極化波轉(zhuǎn)換為線極化波，再通過(guò)矩圓過(guò)渡波導(dǎo)將圓波導(dǎo)中的波型變換為矩形波導(dǎo)中的波型，以便與其后的衛(wèi)星接收高頻頭（LNB）接口配接。 ? 圖 3-18 極化轉(zhuǎn)換器和矩圓過(guò)渡波導(dǎo) ????由于圓極化波可以看成是由2個(gè)正交、等幅、相位差90°的線極化波分量合成的，所以，極化器的工作原理就是用一個(gè)分量移相器使其中一個(gè)線極化波改變相位，經(jīng)一段傳輸路程后，二個(gè)分量的相位變成相同，其合成場(chǎng)變成了線極化波。反射面天線中常采用45°介質(zhì)片分量移相器或銷(xiāo)針?lè)至恳葡嗥?。它們的移相原理是相同的?
圖 3-18 45°介質(zhì)片分量移相器結(jié)構(gòu)示意圖
圖 3-19 銷(xiāo)釘分量移相器
????45°介質(zhì)片分量移相器如圖3-18所示。在圓波導(dǎo)內(nèi)與矩形波導(dǎo)寬邊45°角方向上安裝一個(gè)介質(zhì)片。假設(shè)進(jìn)入饋源的來(lái)波是左旋圓極化波，則可將圓極化波分解為與介質(zhì)片平行的分量 ????圖3-19表示在圓波導(dǎo)內(nèi)放置兩排銷(xiāo)釘，構(gòu)成銷(xiāo)釘分量移相器。對(duì)于行于銷(xiāo)釘所在平面的電場(chǎng) ????接收各種極化波時(shí)，極化器與波導(dǎo)寬邊的安置方向如圖3-20所示，這是從高頻頭的矩形波導(dǎo)口向饋源方向看去的。 ????圓形波導(dǎo)由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，對(duì)波的極化形式?jīng)]有選擇，而矩形波導(dǎo)只允許與其寬邊垂直的電場(chǎng)通過(guò)，所以波導(dǎo)的寬邊必須與電波極化的方向相垂直。
圖 3-21 一種可調(diào)線極化饋源 ????一種可調(diào)線極化饋源，如圖3-21所示。在接收線極化波時(shí)，只要調(diào)整線極化振子，使之平行于線極化波的極化方向即可。若將振子改為小螺旋，則該饋源接收?qǐng)A極化波無(wú)需加極化器。此外，背射螺旋饋源也是不加極化器而接收?qǐng)A極化波的。 | |
????3.4.3 圓矩過(guò)渡波導(dǎo)??????波導(dǎo)型的饋源為了獲得旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的方向圖，通常以圓波導(dǎo)激勵(lì)。緊接在饋源后面的極化器也是由圓波導(dǎo)構(gòu)成的。而大部分的高頻頭（LNB）的輸入端是矩形波導(dǎo)，所以，在饋源的輸出端口通常加有一個(gè)圓矩過(guò)渡波導(dǎo)段，以完成圓波導(dǎo)中的  模經(jīng)過(guò)一段漸變線逐漸過(guò)渡為矩形波導(dǎo) 模。為了使電磁能量從圓波導(dǎo)全部傳入矩形波導(dǎo)，要求矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)的二模相位相等，據(jù)此得圓波導(dǎo)半徑R=2α/3.41=0.6α，其中α是矩形波導(dǎo)寬邊尺寸。與此類(lèi)似的漸變過(guò)渡變換方式還有楔形圓矩過(guò)渡，如圖3-23所示。
圖 3-22 圓矩漸變過(guò)渡波導(dǎo)及其電場(chǎng)模式變換過(guò)程示意圖 ????階梯式矩圓過(guò)渡波導(dǎo)如圖3-24所示。采用幾節(jié)長(zhǎng)度為λg/4 階梯，使圓波導(dǎo)過(guò)渡到矩形波導(dǎo)，λg為其節(jié)變形波導(dǎo)段的波導(dǎo)波長(zhǎng)。一般采用2節(jié)λg/4過(guò)渡段，每一臺(tái)階的高度由λg/4 過(guò)渡段的特性阻抗決定。
圖 3-23 采用楔形圓矩過(guò)渡波道的饋源
圖 3-24 階梯式矩圓過(guò)渡波導(dǎo) |
的取向作為電波極化方向。
是隨時(shí)間而變化的，如果
的矢量端點(diǎn)隨時(shí)間變化的軌跡是一直線，則稱(chēng)此電波為線極化波。若
的大小不變而方向隨時(shí)間而變，在觀察點(diǎn)處與傳播方向垂直的平面內(nèi)，矢量端點(diǎn)的變化軌跡是一個(gè)圓，稱(chēng)為圓極化波。
的大小和方向都隨時(shí)間變化，矢量端點(diǎn)的軌跡為橢圓的波則叫橢圓極化波3種不同極化波。
= 
+ 
=ExmCOS(wt+θx),
=EymCOS(wt+θy) ，且
與
的相位差為nπ(n=1,2,3,…) ，則合成矢量的模為: 
與
的幅度相等，相位差為(2n+1)π/2 時(shí)，則 : 
超前
π/2 ，則為右旋極化波，若
落后
π/2 ，則為左旋極化波。 
與
的幅度和相位差均不滿(mǎn)足上述條件時(shí)，合成矢量端點(diǎn)的軌跡為一個(gè)橢園。橢圓極化波的橢圓長(zhǎng)短軸之比，稱(chēng)為軸比，當(dāng)橢圓的軸比等于1，橢圓極化波即是圓極化波。當(dāng)軸化為∞時(shí)，電波的極化為線極化。 
?? ?? ? 
?? ?? 
及介質(zhì)片垂直的分量
。由于是左旋，所以
超前
90°。但
在介質(zhì)片上傳輸?shù)乃俣缺却怪庇诮橘|(zhì)片的
慢，
的相位逐漸被延遲。選擇合適的介質(zhì)片長(zhǎng)度l，使
的相位恰好延遲90°，
變成了與
同相位，于是合成場(chǎng)變?yōu)榕c介質(zhì)片成45°夾角的線極化波。由于矩形波導(dǎo)的極化方向與寬邊垂直，所以該極化波能進(jìn)入矩形波導(dǎo)進(jìn)行傳輸。用作分量移相器的介質(zhì)片，一般由微波損耗小的聚四氟乙烯板或聚四氟乙烯纖維板制作而成。片長(zhǎng)一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)才能最后確定，二頭切成凹狀是為了減少波的反射。 
來(lái)說(shuō)，銷(xiāo)釘呈容性，使其相速減小，而對(duì)垂直于銷(xiāo)釘面的
來(lái)說(shuō)銷(xiāo)釘呈感性，使其相速增加?？刂其N(xiāo)釘插入深度和銷(xiāo)釘?shù)膫€(gè)數(shù)，可以做到
與
同相，將圓極化波轉(zhuǎn)換為線極化波。為了使銷(xiāo)釘移相器與波導(dǎo)匹配，銷(xiāo)釘?shù)牟迦肷疃仁菨u變的，中間最深，兩邊最淺。用漸變寬度的月牙形金屬片代替兩排銷(xiāo)釘，也能構(gòu)成移相器，其基本原理與銷(xiāo)釘移相器相同。由于銷(xiāo)釘所在平面與介質(zhì)所在平面一樣，都是使與之平行的
相位滯后。所以在完成同樣的極化方式轉(zhuǎn)換時(shí)，銷(xiāo)釘平面在圓波導(dǎo)內(nèi)的取向與介質(zhì)片的取向是一致的。前饋和后饋天線 
模電磁波的轉(zhuǎn)換。在圓矩過(guò)渡波導(dǎo)段中要求引入的不連續(xù)性應(yīng)盡量小，以達(dá)到減小饋源的駐波比，改善阻抗匹配的目的。 
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