电磁波极化方式及其应用

电磁波极化方式及其应用
摘要：电磁场与电磁波广泛应用于我们的生活中，比如在移动通信、广播电视、卫星通信、医疗等等方面，该文介绍电磁波极化的几种方式，根据其极化特性在不同领域上发挥作用，提高抗干扰能力、加强传输性能，在材料研究方面尤为重要。

关键词：极化干扰电磁波
Polarization ways of electromagnetic wave and its applications
Abstract:The Electromagnetic field and electromagnetic wave is widely used in our life,such as in mobile communications,radio and television,satellite communications,medical,etc.This paper introduces several ways of electromagnetic wave polarization according to its polarization characteristics and play a role in different fields,improve the anti-interference ability,strengthen the transmission performance,is especially important in materials research.
Key words:Polarization disturbance electromagnetic wave
1 电磁波的极化方式
电子工程中，电磁波有不同极化方式，怎样在不同场所合理的运用其特性是我们要考虑的一个重要方面。

下面所讲的不是媒质中发生的电磁极化，而是电磁场的空间形象。

极化是指在空间各点，以场强
模为长度、空间指向为方向所画出的场矢量的尖端随时间变化所描绘出来的几何轨迹。

如果轨迹是直线，称为直线极化，如果是圆，称为圆极化，在圆极化中还分左旋极化和右旋极化，如果是椭圆称为椭圆极化，在椭圆中同样分左旋椭圆极化和右旋椭圆极化。

一般情况，沿z轴方向传播的均匀平面波的电场强度同时具有Ex和Ey的分量，这两个分量的振幅和相位不一定相同，电场相量一般可表示为
由表达式可知：合成波的大小随时间变化，但其矢端轨迹与x 轴夹角始终不变，
2 电磁波的传播方式
不同频率段的无线电波应用在不同的领域，它们在空间又是如何进行传播的呢？根据不同频率段的不同特性，电磁波在空间的传播途径大体分为四种。

2.1 空间波传播
当发射天线和接收天线均比地面高出一个波长以上时，这样电磁波可直接在空中沿直线传播，如图4所示。

当然这种空间波可形成多径效应，成分由直射波及入射波、反射波组成，如图4所示。

通常情况下，波长较小的超短波和微波大多采用空间波传播形式。

2.2 地波传播
由于地波是沿空气与大地交界面传播的，因此传播情况主要取决于地面条件。

地面的平坦情况，当地面高低不平的程度跟电磁波的波长相比很小时，可忽略，地面可近似为平坦的。

在地面传播的长波和中波，除高山情况外，都可认为是平坦的，对其传播特性影响较小。

地球表面的地质情况，主要看地球表面层的各种参数，如电导率、
介电常数和磁导率等。

地波的传播方式相对来说比较稳定，受昼夜变化的影响较小，而且能够沿着有弧度的地球表面传播到地平线以外的空间，因此对长波、中波和中短波用地波进行传播较为方便。

由于地波在传播过程中要不断有能量消耗，而且随着频率增加(波长变短)消耗越多，因此对于中波和中短波来说，传播距离一般不会很远，通常在几百千米范围以内，收音机在这两个波段只能接收听到本地或邻近省市的电台。

长波沿地面传播时，可以达到较远的地方，但发射长波的设备庞大，成本代价高，所以长波不进行无线电广播传播，多用在超远距离电磁波通信和导航等方面。

当天线设置在紧靠地面上时，天线辐射的电磁波是沿着导电性能较差和起伏不平的地表面进行传播的。

由于地表面具有半导电特性，一方面电波的场结构不同于自由空间传播的情况而发生变化并引起电波被吸收，另一方面不能以一定的速度沿直线路径传播，而是由于地球表面呈现球形使电波传播的路径采用绕射方式进行。

只有波长超过障碍物高度或与其相当时，才能发生衍射现象，所以电磁波传播过程中，只有长波、中波以及短波能够绕行传播到地表面较远地方。

地波传播特性还与电磁波的极化方式有关，地波一般传播不用水平极化波，因为电场是水平极化时，电场与地面平行，传播时会在地面上感应较大的电流，使电磁波产生很大衰减，地面波通常采用垂直
极化波方式进行传播。

2.3 电离层波传播
如图5所示发射天线向高空辐射的电磁波在电离层内经过连续多次折射而返回到地面接收点的传播方式称为天波传播。

尽管中波、短波都可采用这种传播方式，但主要进行短波传播，其优点是能以较小的功率进行较远距离传播。

不同波长的电磁波在电离层所反映的特性是不同的。

实验证明，当电磁波的波长短于10?m时，比较容易穿过电离层，当波长超过3000?km时，几乎会被电离层全部吸收，而不能传播。

因此，短波以天波的形式进行传播最适宜，但是，电离层是经常变化的，白天受阳光照射时电离程度高，夜晚无光照时电离程度较低。

所以夜晚它对中波和中短波的吸收明显减弱，这时电磁波段中的中短波也能以天波的形式进行传播。

因此收音机在夜晚能够收听到许多远地方的中波或中短波电台信号，就是这个缘故[2]。

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2.4 外层空间传播
电磁波通过卫星在外层空间传播。

电磁波在外层空间传播时受到大气层的影响较大，例如大气层对流层中的氧和水蒸气会对电磁波有吸收作用。

雨露以及雪也会对电波产生吸收和散射损耗，电离层对短波还会有反射作用。

总之，电磁波在0.3?GHZ～10?GHZ频段，大气吸收损耗最小，称为“无线电窗口”。

因此，通信用电磁波通常选择在这个窗口附近频率。

3 电磁波极化应用
3.1 极化达成发射与接收匹配
天线是进行电磁波发射和接收的必须设备，极化方式是要考虑的一项重要参数，因为天线的极化方式决定天线发射或接收电磁波的极化方式，水平或垂直极化天线辐射水平或垂直极化波，右旋或左旋极化天线辐射左旋或右旋圆极化波。

天线的极化方式视天线构造而定，螺旋状天线可以发射或接收圆极化波，卫星接收天线采用矩形波导时，极化方向由波导口的方向确定，波导口窄边与地平面平行的为水平极化波，宽边与地面平行的为垂直极化波。

实现收发天线之间最大功率传输，应采用极化参数相同发射方式和接收天线，否则产生极化失配，接收信号变差[3]。

飞机、火箭等飞行器在运动过程中其方位在不断变化，因此天线位置和方向也在不断改变，如用线性极化波信号进行通信，可能收不到信号，所以选用螺旋天线，发射或接收圆极化波，能连续收到满意的信号，因为螺旋天线的电磁波的电磁场是旋转的，各个方向均有。

圆极化波不需要考虑天线方向，能得到满意的接收效果[4]。

3.2 电磁干扰方面
平常，雷达、导航、通信等信息电子设备运行时会受其他设备的干扰，降低了质量，甚至使联络发生中断，侦察时目标消失。

电磁干扰有传导干扰和辐射干扰两种。

一种是通过导电介质把一个电网络上的信号耦合到另一个电网络。

另外一种是指干扰源通过空间把其信号耦合到另一个电网络。

各种形式的干扰源，有时发射电磁波会影响其他系统的正常工作。

利用极化技术，可提高各种信息电子设备的抗干扰能力[5]。

在实施干扰时，要想干扰一幅天线的正常接收，就应使用与天线极化状态一致的干扰波，或者使用含有这种分量干扰波，而要同时干扰多幅天线正常工作，就应使用一个能覆盖天线工作频率的宽带椭圆极化波，由于这种干扰波具有宽频谱和各种极化状态谱，工程称为广谱干扰波。

3.3 提高通信容量
在同一传输链路上，利用电波的正交极化特性，把互相正交极化的想邻两条信道安排在同一频段上，频率的利用率提高一倍。

3.4 目标识别
SAR由微波遥感器发出的电磁波，当微波照射到被测目标物体时，与被测目标物体互相作用，发生反射、散射并能穿透一定深度，然后接收被测目标物体散射回来的电磁波信号，根据反射回来的信号确定被测物体的各种特性。

多极化SAR通过对各个分辨单元内的散
射返回波进行测量，进而得到目标的散射矩阵及stocks矩阵，其中极化散射矩阵能较好表现雷达目标电磁散射性能，将目标散射的能量特性，极化特性和相位特性完整、直观而简明形式表达出来，从而能把物体细致结构、目标指向、目标均衡性以及物质组成等参数表现出来，并提取相应目标的信息，根据这些信息提高目标识别效果[6]。

参考文献
[1]袁国良.电磁场与电磁波[J].清华大学出版社,2008(1):211-212.
[2]谢处方.电磁场与电磁波[J].高等教育出版社,2012(6).
[3]张健华.电磁波极化的应用[J].大学物理,2012(3).
[4]邹澎.电磁场与电磁波[J].清华大学出版社,2008(6):217-222.
[5]王被德.电磁波的极化及其应用[J].电波科学学报,1999(3).
[6]郎志超.多极化SAR滤波分类技术研究及SAR图像处理软件系统实现,2009.。