建模和分析极化

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这个示例介绍了极化的基本概念。它显示了如何分析极化场和模型之间的信号传输极化天线和目标使用相控阵系统工具箱™。

极化电磁场

所产生的电磁场天线正交于远场传播方向。字段可以指向任何方向在这个平面上,因此可以分解成两个正交分量。从理论上讲,有无限数量的方法来定义这两个组件,但多数情况下,一个使用(H、V)或(左,右)集。(H, V)代表水平和垂直,可以很容易地为x和y分量;而(左,右)代表左和右循环。可能很难想象,一个矢量在空间可以有一个圆形的组件,秘密在于每个组件可以是一个复数,大大提高了跟踪的复杂性的一个向量。

让我们来看看几个简单的例子。随时间变化的字段可以写成

$$ E = \ bf{你}_h | E_h | {\ rm因为}(\ωt-kz + \ phi_h) + & # xA; \ bf{你}_v | E_v | {\ rm因为}(\ωt-kz + \ phi_v) $$

在哪里

$$ E_h = | E_h | e ^ {j \ phi_h}, E_v = | E_v | e ^ {j \ phi_v} $$

这两个组件在相量表示。 $\ bf{你}_h美元$ 和 $\ bf{你}_v美元$ h和v轴的单位向量,分别。

最简单的例子可能是一个线性极化,当两个组件总是在阶段。假设

$$ | E_h | = | E_v | = 1, \ phi_h = \ phi_v = 0 $$ ,

的字段可以用一个向量(1,1)。这样一个字段的极化的样子

阵线= (1,1);helperPolarizationView(艘)

从图中,很明显,结合偏振沿45度斜。

的情节在右上角部分图通常被称为极化椭圆。它的投影结合实地跟踪H-V平面。极化椭圆常常表现为两个角,倾斜角度(也称为定向角) $\τ美元$ 和椭圆率角 $\ε美元$ 。在这种情况下,倾斜角度是45度和椭圆率角为0。椭圆上的点显示了如何结合场沿着H-V平面上的痕迹,时间的流逝。

极化场也可以由斯托克斯矢量,这是一个4向量。相应的斯托克斯矢量的线性极化,(1,1),是由

s =斯托克斯(艘)

s = 2 0 2 0

请注意,所有4项向量的实数。事实上,所有这些条目是可衡量的。此外,它可以显示四个数量总是满足以下方程

$ $ s (1) ^ 2 = s(2) ^ 2 +(3) ^ 2 +年代(4)^ 2 $ $ 。

因此,每个组斯托克斯可以视为一个点在一个球体。这样一个领域被称为庞加莱的球体。庞加莱球上面的字段的右下角部分所示图。

接下来是一个圆形极化场,

$$ | E_h | = | E_v | = 1, \ phi_h = 0, \ phi_v = \π/ 2。$$

阵线=(1;1我);helperPolarizationView(艘)

图显示的跟踪组合字段是一个圆。极化椭圆和庞加莱球显示字段是左圆偏振。

一般来说,跟踪字段是一个椭圆,如下所示

阵线=[2 + 1我;1-1i];helperPolarizationView(艘)

极化的天线

天线的极化是指电场的极化天线传输的不管它在传输或接收模式。然而,如前所述,极化中定义正交于传播方向的平面上。因此,在局部坐标系中定义的每个传播方向,如下列图所示。

一些天线结构,决定了它的极化,如偶极子。偶极子天线的极化方向平行。假设频率300 MHz,垂直短偶极子,在瞄准线极化响应,即。0度方位和0度仰角,给出的

天线= phased.ShortDipoleAntennaElement (“AxisDirection”,“Z”);fc = 3 e8;resp =天线(fc (0, 0))

resp =结构体字段:H: 0 V: -1.2247

注意,水平分量是0。如果我们改变方向的偶极天线水平,垂直分量变成0。

天线= phased.ShortDipoleAntennaElement (“AxisDirection”,“Y”);resp =天线(fc (0, 0))

resp =结构体字段:H: -1.2247 V: 0

极化损失

当两个一对传输/接收天线形式,其偏振可能影响接收信号功率。因此,收集与最大功率信号,接收天线的极化匹配传输天线的极化。可以测量极化匹配系数

$$ \ρ= | p_t ^ Tp_r | ^ 2 $$

在哪里 p_t美元和 p_r美元代表了规范化的偏振状态的传输和接收天线,分别。

假设两个传输和接收短偶极子天线。传输天线位于原点和接收天线位置(100,0,0)。首先,考虑一下这种情况:天线都是沿着Y轴,面对彼此。这是场景,两根天线极化匹配。

pos_r = (100, 0, 0);lclaxes_t = azelaxes (0,0);%发射器坐标系lclaxes_r = azelaxes (180 0);%接收机面临发射机ang_t = (0, 0);%接收发射机的瞄准线ang_r = (0, 0);%发射机接收机的瞄准线txAntenna = phased.ShortDipoleAntennaElement (“AxisDirection”,“Z”);ang_t resp_t = txAntenna (fc);rxAntenna = phased.ShortDipoleAntennaElement (“AxisDirection”,“Z”);ang_r resp_r = rxAntenna (fc);普洛斯= polloss ([resp_t.H; resp_t.V], [resp_r.H; resp_r.V], pos_r, lclaxes_r)

普洛斯= 0

损失是0分贝,这表明没有损失极化失配。下一个章节将展示一个模拟信号的影响。

%信号仿真[x, t] = helperPolarizationSignal;%创建散热器和收藏家散热器= phased.Radiator (“传感器”txAntenna,“极化”,“组合”,…“OperatingFrequency”足球俱乐部,“PropagationSpeed”3 e8);收集器=…phased.Collector (“传感器”rxAntenna,“极化”,“组合”,…“OperatingFrequency”足球俱乐部,“PropagationSpeed”3 e8);%信号传输和接收xt =散热器(x, ang_t lclaxes_t);y =收集器(xt ang_r lclaxes_r);helperPolarizationSignalPlot (t, x, y,“垂直”)

图显示接收到的信号没有损失。每个短偶极子天线提供增益为1.76 dB,所以接收到的信号是1.5倍的信号传播。

如果使用水平极化天线来接收信号,现在的两个天线正交极化结果,没有权力将交付给接收天线。可以发现的极化损失

rxAntenna = phased.ShortDipoleAntennaElement (“AxisDirection”,“Y”);ang_r resp_r = rxAntenna (fc);普洛斯= polloss ([resp_t.H; resp_t.V], [resp_r.H; resp_r.V], pos_r, lclaxes_r)

普洛斯=正

我们可以更好的理解这个过程使用下面的图。

如图表所示,天线的极化可以被视为一个过滤器阻塞任何正交极化波,天线的极化状态。

正如所料,信号仿真表明,接收到的信号是0。

收集器=…phased.Collector (“传感器”rxAntenna,“极化”,“组合”,…“OperatingFrequency”足球俱乐部,“PropagationSpeed”3 e8);%信号传输和接收xt =散热器(x, ang_t lclaxes_t);y =收集器(xt ang_r lclaxes_r);helperPolarizationSignalPlot (t, x, y,“水平”)

一个可以旋转的接收天线极化部分匹配。例如,假设接收天线在前面的例子是x轴周围旋转45度,然后接收到的信号不再是0,虽然不像当偏振匹配。

%转动轴lclaxes_r = rotx (45) * azelaxes (180 0);%信号传输和接收xt =散热器(x, ang_t lclaxes_t);y =收集器(xt ang_r lclaxes_r);helperPolarizationSignalPlot (t, x, y,“45度”)

相应的极化损失

普洛斯= polloss ([resp_t.H; resp_t.V], [resp_r.H; resp_r.V], pos_r, lclaxes_r)%以dB。

普洛斯= 3.0103

目标极化特征

一种电磁波击中目标时,波将分散的目标和一些能源将两个正交极化组件之间传输。因此,目标散射机制通常是由一个2 x2雷达截面(RCS)矩阵(也称为散射矩阵),其对角线上指定目标散射能量如何到原始的H和V偏振非对角项组件和指定目标散射能量如何相反的极化组件。

因为发送和接收天线偏振的任意组合,通常是看感兴趣的目标的极化特征对不同偏振配置。签名的阴谋下的接收功率不同偏振态的倾斜角度的函数和传输偏振椭圆的椭圆率角。这也可以视为一个有效RCS的测量。两个最广泛使用的极化签名(也称为极化响应),是co-polarization (co-pol)反应和交叉极化(cross-pol)反应。Co-pol响应使用相同的偏振传输和接收而cross-pol响应使用正交极化接收。

最简单的目标是一个球体,其RCS矩阵是由[1 0;0 1],这意味着反射偏振入射偏振是一样的。一个球体由极化签名

s =眼(2);次要情节(211);polsignature(年代,“c”);次要情节(212);polsignature(年代,“x”);

的情节,可以看出,对于这样一个目标,一个线性极化,在椭圆率角为0,在co-pol环境产生最大的回报而圆偏振,那里的椭圆率角是45度或-45度,生成cross-pol配置的最大回报。

一个更复杂的目标是一个双面,本质上是一个角落,反映了波两次,如左边所示以下草图:

右边上面的图显示了极化场的变化在两个反射。两个反射后,水平极化分量不变而垂直极化分量正好相反。因此,它的横截面矩阵和极化签名给了

s = [1 0; 0 1];次要情节(211);polsignature(年代,“c”)次要情节(212);polsignature(年代,“x”)

签名表明圆偏振效果最好在co-pol设置45度线偏振cross-pol情况效果最好。

模拟使用天线和目标极化信号传播

把一切放在一起,极化信号首先通过一个天线,然后反射目标,最后被收到的接收天线。下一个是一个模拟信号流。

仿真假设垂直偶极子作为传输天线水平偶极子作为接收天线,和目标的RCS矩阵[0 1;1 0],翻转信号的极化。说明目的,自由空间的传播是忽略了,因为它不影响极化。还假定传输天线,目标,和接收天线沿着传输天线的孔径。的局部坐标系是相同的传输天线和目标。面临的接收天线传输天线。

%定义传输和天线txAntenna = phased.ShortDipoleAntennaElement (“AxisDirection”,“Z”);rxAntenna = phased.ShortDipoleAntennaElement (“AxisDirection”,“Y”);散热器= phased.Radiator (“传感器”txAntenna,“极化”,“组合”);收集器= phased.Collector (“传感器”rxAntenna,“极化”,“组合”);%模拟信号[x, t] = helperPolarizationSignal;%的事件和到达角ang_tx = (0, 0);ang_tgt_in = [0] 180;;ang_tgt_out = (0, 0);ang_rx = (0, 0);%局部坐标系lclaxes_tx = azelaxes (0,0);lclaxes_tgt = lclaxes_tx;lclaxes_rx = azelaxes (180 0);%定义目标目标= phased.RadarTarget (“EnablePolarization”,真的,…“模式”,“双基地”,“ScatteringMatrix”,0 1;1 0);%模拟接收信号xt =散热器(x, ang_tx lclaxes_tx);%辐射xr =目标(xt ang_tgt_in、ang_tgt_out lclaxes_tgt);%反映y =收集器(xr, ang_rx lclaxes_rx);%收集helperPolarizationSignalPlot (t, x, y,“水平”);

注意,因为目标翻转极化组件,水平极化天线可以接收垂直极化天线发送的信号。

总结

这个例子评论极化的基本概念,介绍了如何分析和模型使用相控阵系统工具箱极化天线和目标。