1、第31卷第3期2012年3月大 学 物 理COLLEGE PHYSICSV0131 No3Mar2012电磁波极化的应用张建华，黄 冶(电子工程学院，安徽合肥230037)摘要：极化是电磁波的一个重要参量，是电动力学、电磁场与电磁波课程教学中的重点内容之一系统介绍电磁波极化这一概念在通信、雷达和抗干扰等方面的应用，即利用电磁波极化实现无线电信号的最佳发射和接收，利用极化提高通信容量，探讨了电磁波极化在雷达目标识别、检测、成像以及抗干扰中的应用关键词：电磁波极化；电磁场与电磁波：极化匹配；电动力学中图分类号：0 442 文献标识码：A 文章编号：10000712(2012)03005203电磁波
2、的极化特性是指给定空间观察点电场强度的取向和幅值随时间变化的规律，是“电磁场与电磁波”、“电动力学”课程中的一个重要概念4。，电磁波的极化在物理学中称之为偏振极化是除时域、频域和空域信息之外的又一可利用的重要信息，在通信、雷达信号滤波、检测、增强、抗干扰和目标鉴别识别等方面都有广泛的应用，因此对极化理论的教学和研究有着重要的意义在教学过程中，我们发现多数教材除给出定义和辅助的数学推导之外，相关的应用背景知识介绍不多为了激发学生的学习兴趣，提高教学效果，我们根据教学内容，系统全面地总结了电磁波极化在通信、雷达和抗干扰等方面的应用，深入挖掘其应用价值需要指出的是，本文介绍的有关电磁波极化的应用主要
3、集中在无线电频率范围内，电磁波极化在光波段的应用请参考文献6中偏振光的应用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
4、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但水平极化方式的调频广播存在如下问题：绝大部分听众的收音机采用小拉杆天线，当手持
5、或车载调频收音机的鞭状拉杆天线为垂直放置时，接收水平极化的广播信号，极化损失通常大于10 dB以上在移动收听的情况下，若用偶极天线水平放置接收，则需要不断地调整天线使其最大接收方向对准广播电台，才能保证最佳的接收效果因此一些国家在调频广播中使用水平与垂直混合极化发射方式，或者圆极化方式，此时听众不论用垂直还是水平接收天线，均可良好地收听广播圆极化波有很重要的应用如果通信的一方或收稿日期：20110617；修回日期：2011-09-27作者简介：张建华(1962一)，女，江苏丹阳人，电子工程学院教授，硕士，主要从事电磁场理论与微波技术方面的教学和科研工作万方数据第3期 张建华，等：电磁波极化的应
6、用双方处于方向、位置不定的状态，例如在剧烈摆动或旋转的运载体(如飞行器等)上，为了提高通信的可靠性，收发天线之一应采用圆极化天线在人造卫星和弹道导弹的空间遥测系统中，信号穿过电离层传播后，因法拉第旋转效应产生极化畸变，这也要求地面上安装圆极化天线作发射或接收天线在军事上为了干扰和侦察敌方的通信或雷达目标，在未知敌方的极化状态下，需要应用圆极化天线，因为使用一副圆极化天线可以接收任意取向的线极化波在移动通信或微波通信中为减小信号衰落，方法之一是采用极化分集接收技术，就是利用极化方向相互正交的两个线极化的电平衰落统计特性的不相关性进行合成，以减小信号的衰落深度通常一副天线仅具有一种极化，为了适应现
7、代电子战大纵深、全方位、高机动和战场信息密集多变的特点，对天线极化自适应要求日益迫切为此极化可调的多极化天线在现代雷达、通信及电子侦察与干扰等领域具有重要的新用途我们知道，任意极化均可由一对正交极化以不同的幅度比和相位差相合成，因此，发射时，将同一信号源经功分器后，分别经过不同的幅相关系处理并送到极化正交的一对天线上，便可合成任意极化状态接收时，用两副互相极化正交的天线，并将两个通道信号以不同幅相关系相合成，便可实现任意极化状态的最佳接收可见对极化域的充分利用，并不要求去构造许多不同形式的天线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
8、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
9、的极化状态，选用“三振子”的复合天线系统一。，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从应用极化技术抗衰落到应用极化技术来提高信道容量，极化技术的应用出现了质的飞跃3 极化在雷达目标识别、检测和成像中的应用雷达回波信号中除了幅度、相位信息外，还有一个重要的信息资源极化信息，电磁波照射目标后，其极化状态将发生改变，它与目标的形状、结构、材料以及姿态等因素有关，还与照射到目标的极化状态有关，因此，可以利用目标回波中的极化特征来识别目标一在气象雷达中可利用雨滴的散射极化的不同响应来识别目标，采用轮流发射正交极化波
10、的方法，并相继接收水汽凝结物回波的正交极化分量，从而研究目标的性质文献9综述了国内外极化雷达的研究进展，雷达采用极化增强技术，可以提高目标回波的信噪比，增大雷达探测威力极化增强技术是指：雷达具备多极化模式，能实时测出特定目标的极化散射矩阵，然后计算出该目标的最佳极化值；雷达再按该目标的最大极值极化进行发射，按同极化接收，将会收到改变发射和接收极化组合时所能获得的最强目标回波还有一种极化技术是极化检测技术它只要求雷达能发射一对正交极化波，然后以某种检测准则将同一目标的几种发射与接收极化组合的回波加以综合，即可提高检测概率雷达采用极化增强和极化检测技术后，对各种类型、各种姿态的目标，平均可提高探测
11、能力610 dB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，目标的识别率更高电波极化特性还可应用于材料质量的检测，其优点是：对检测样品用电磁波照射，所以它是无伤检测，并且可以在生产流水线上实现对产品质量的自动检验例如：检测瓷砖质量，垂直极化波正入射于瓷砖，如果瓷砖垂直方向匀称，也即没有质量问题，万方数据大 学 物理 第31卷那么反射波仅有垂直极化分量若瓷砖存在诸如变形、断裂、微裂纹及其他缺陷，将使得垂直方向的均匀性被破坏，导致反射波出现水平极化分量，而且垂直匀称破坏越严重，反射波水平
12、极化分量就越大在分析化学中利用某些物质对于传播其中的电磁波具有改变极化方向的特性来实现物质结构的分析4极化在抗干扰中的应用通信、雷达、导航等信息电子设备常会遇到来自其他设备的干扰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运动中的干扰源，发射的干扰电波的极化状态可能有变化，可采用极化滤波器组，组成一个极化抑制带，也可采用自适应极化滤波器抗干扰在多路微波分配系统当中，交替采用不同的极化方式发射，可减少在覆盖区域中同频干扰
13、问题采用圆极化波可以抗气象干扰气象干扰是由气象微粒对雷达波的散射而形成的在雷达中利用圆极化波来消除云雨等气象干扰的机理是，气象微粒近似呈球形，对圆极化波的反射是反旋的，不会被雷达天线所接收；而雷达目标一般是非简单对称体，其反射波是椭圆极化波，必有同旋向的圆极化成分，因而能收到回波除了以上介绍的极化的应用外，有些微波器件的功能就是利用电磁波的极化特性获得的，例如铁氧体环行器和隔离器等5 结束语综上所述，电磁波的极化特性在广播、电视、通信、雷达和导航等无线电领域有着非常广泛的应用本文介绍的相关应用背景弥补了多数教材的不足，让学生充分了解到电磁波极化这一重要概念在工程实践中的内在应用价值，激发他们的
14、学习兴趣和学习热情，显著改善了教学效果，提高了教学质量电磁波极化特性的应用价值还有待进一步的开发参考文献：1 杨儒贵电磁场与电磁波M北京：高等教育出版社，2003：1891932 俎栋林电动力学M北京：清华大学出版社，2006：1631663Kong J AuElectromagnetic wave theoryM北京：高等教育出版社，2002：24334 钟顺时电磁场基础M北京：清华大学出版社，2006：1631695 俞允强电动力学简明教程M北京：北京大学出版社，1999：93966 赵凯华，陈熙谋新概念物理教程：光学M北京：高等教育出版社，2003：270271，3103187 Andr
15、ews M H，Mitra P P，DeCatnaiho RTripling the ca-pacity of wireless communications using electromagneticpolarizationJNature，2001，409：3163188 庄钊文，肖顺平，王雪松雷达极化信息处理及其应用M北京：国防工业出版社，1999：3784579 曾清平，董天临，万山虎极化雷达的发展动态与极化信息的应用前景J系统工程与电子技术，2003，25(6)：669673Applications of electromagnetic wave polarizationZHANG J
16、ianhua，HUANG Ye(Electronic Engineering Institute，Hefei，Anhui 230037，China)Abstract：Polarization is not only an important parameter of the electromagnetic wave but also a key concept inthe electrodynamics and the electromagnetic field and wave coursesIn this paper，applications of this concept incommu
17、nication，radar and antijamming are introducedBy utilizing the characteristic of polarization，the optimalradio signal transmission and reception are achieved and the communication capacity is improved as wellThe ap-plications of polarization in the radar target recognition，detection，imaging and antijamming are discussedKey word：polarization；electromagnetic field and wave；polarization matching；electrodynamics万方数据电磁波极化的应用作者： 张建华， 黄冶， ZHANG Jian-hua， HUANG Ye作者单位： 电子工程学院,安徽合肥,230037刊名： 大学物理英文刊名： College Physics年，卷(期)： 2012,31(3)本文链接：http:/
