基于matlab偏振建模和分析（附源码）

一、前言

这个例子介绍了极化的基本概念。它展示了如何使用相控阵系统工具箱分析极化场并对极化天线和目标之间的信号传输进行建模。

二、电磁场的极化

天线产生的电磁场与远场中的传播方向正交。场可以指向此平面中的任何方向，因此可以分解为两个正交分量。从理论上讲，有无数种方法可以定义这两个组件，但大多数情况下，人们使用（H，V）集合或（L，R）集合。（H，V）代表水平和垂直，可以很容易地想象成x和y分量;而（L，R）代表左右圆形。可能很难想象空间中的向量可以有一个圆形分量，秘密在于每个分量都可以是一个复数，这大大增加了这种向量的迹线的复杂性。

让我们看几个简单的例子。时变字段可以写为

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是相量表示中的两个分量。

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和

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分别是 h 轴和 v 轴的单位向量。

最简单的情况可能是线性极化，当两个分量始终同相时就会发生这种情况。假设

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该字段可以用 [1;1] 的向量表示。这种场的极化看起来像

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从图中可以清楚地看出，组合极化是沿着45度对角线。

图右上方的图通常称为偏振椭圆。它是组合场迹线在 H-V 平面上的投影。偏振椭圆通常以两个角度为特征，倾斜角（也称为定向角）

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和椭圆度角

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.在这种情况下，倾斜角为 45 度，椭圆角为 0。椭圆上的点表示随着时间的流逝，组合场如何沿着 H-V 平面上的迹线移动。

极化场也可以用斯托克斯向量表示，斯托克斯向量是一个长度为 4 的向量。线性极化的相应斯托克斯矢量 [1;1] 由下式给出

请注意，向量中的所有 4 个条目都是实数。事实上，所有这些条目都是可衡量的。此外，可以证明四个量总是满足以下等式

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因此，每组斯托克斯都可以被视为球体上的一个点。这样的球体被称为庞加莱球体。上述字段的庞加莱球体显示在图的右下角。

接下来是一个圆极化场，其中

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该图显示组合字段的轨迹是一个圆。偏振椭圆和庞加莱球都表明该场是左圆极化的。

通常，字段的跟踪是椭圆，如下所示

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三、天线的极化

天线的极化定义为天线发射的场的极化，无论它是处于发射模式还是接收模式。但是，如前所述，极化是在与传播方向正交的平面中定义的。因此，它是在每个传播方向的局部坐标系中定义的，如下图所示。

一些天线具有决定其极化的结构，例如偶极子。偶极子天线具有平行于其方向的极化。假设频率为300 MHz，对于垂直短偶极子，视线处的偏振响应，即0度方位角和0度仰角。

请注意，水平分量为 0。如果我们将偶极子天线的方向更改为水平，则垂直分量变为 0。

四、偏振损耗

当两个天线形成一个发射/接收对时，它们的极化会影响接收的信号功率。因此，为了以最大功率收集信号，接收天线的极化必须与发射天线的极化相匹配。偏振匹配系数可以测量为

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和

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分别表示发射天线和接收天线的归一化极化状态。

假设发射天线和接收天线都是短偶极子。发射天线位于原点，接收天线位于位置（100，0，0）。首先，考虑两个天线沿Y轴并彼此面对的情况。这是两个天线在极化中匹配的情况。

损耗为0 dB，表示不存在由于偏振失配引起的损耗。以下部分显示了模拟信号的效果。

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该图显示接收信号没有损失。每个短偶极子天线提供 1.76 dB 的增益，因此接收信号比发射信号强 1.5 倍。

如果使用水平极化天线来接收信号，则两个天线现在在极化中正交，因此，不会向接收的天线输送电源。使用下图可以更好地理解此过程。

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如图所示，天线的极化可以看作是一个滤波器，阻挡了与天线自身的极化状态正交的任何极化波。

正如预期的那样，信号仿真显示接收到的信号为0。

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可以旋转接收天线以获得极化部分匹配。例如，假设上一个示例中的接收天线绕 x 轴旋转 45 度，则接收信号不再为 0，尽管不如极化匹配时强。

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五、靶极化特征

当电磁波击中目标时，波将被散射出目标，一些能量将在两个正交极化分量之间转移。因此，目标散射机制通常由2x2雷达横截面（RCS）矩阵（也称为散射矩阵）建模，其对角线项指定目标如何将能量散射到原始H和V偏振分量中，非对角线项指定目标如何将能量散射到相反的偏振分量中。

由于发射和接收天线可以具有任何极化组合，因此查看不同极化配置的目标的极化特征通常很有趣。签名将不同极化下的接收功率绘制为发射偏振椭圆的倾斜角和椭圆度角的函数。这也可以被视为有效RCS的衡量标准。两种最广泛使用的极化特征（也称为极化响应）是共极化（co-pol）响应和交叉极化（cross-pol）响应。Co-pol响应对发射和接收使用相同的极化，而跨极化响应使用正交极化来接收。

最简单的目标是球体，其 RCS 矩阵由 [1 0;0 给出1]，表示反射偏振与入射偏振相同。