广义铁氧体变极化理论

(2)
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微 波 学 报
2000 年 12 月
上式的通解为
A x = A e- jΒ+ z + B e- jΒ- z; A y = C e- jΒ+ z + D e- jΒ- z
(3)
式中 Β±= Β ± j k 12k 21 = Β ± k , k = 系数 A 、B 、C、D 由 z = 0 处端条件决定
二、广义铁氧体变极化理论
铁氧体变极化问题从广义上要解决三维磁化场的旋磁介质电磁场问题, 迄今还未见到有 效的解析方法或数值方法。本文应用的耦合波方法, 是一种场和路相结合的变通方法。这里有 几类复合形态要讨论, 在 F V 复合形态中, 要解决纵向磁化场和四磁极磁化场共存 (见图 1 (a) ) 情况下同步强耦合的耦合波方程; 在 V 5 形态的复合件中要解决两种相互成 45°交叉的 四磁极磁化场 (见图 1 (b) ) 共存情况下的耦合波方程, 它属于非同步强耦合的情况; 其它例如 F 5 复合形态, 基本上和 F V 型类同, 均为纵横两种磁化态的共存情况。最复杂的情况为三种 混合磁化情况, 为广义变极化情况。 2. 1 同步强耦合的耦合波方程
多种效应的结合有两种基本方法, 即复合法和组合法。 前者相当于把极化矩阵混联, 后者 把极化矩阵级联起来。 复合法把两种基本效应共融在统一器件段上, 如法拉第旋转器 F 和变 极化器 V 两者复合为 F V 或 (V F ) , 依此类推可获得 F 5、V 5 等复合式全极化器。 组合式 全极化器则是把基本双模器件级联起来, 例如 V F、V 5、F5 等均是可实现全极化要求的组合 器件。
当输入端为水平极化时, 输出端的极化为
A x = co sk z e- jΒz; A y =
k sink z e- jΒz (k = -
k
k 21 = k f -
jkv)
(4)
(4) 式即是极化矢法式的形式, 因为其幅度满足 A x 2+ A y 2= 1, 相位差 Υ= tg- 1 (kv k f ) , 所以
F V (或V F ) 复合形态是一种可实现的全极化输出, A x、A y 组成的矢量属于琼斯矢量, 纵场和
横向四磁极场对耦合角 kz 均有贡献, k 为它们的几何均值, 而 Υ取决于比值 k v k f , 即模间相差
与横场和纵场的比值有关。V F 型复合件的极化 (传输) 矩阵 T 为
co sk z
Ξ 收稿日期: 2000- 05- 16; 定稿日期: 2000- 09- 08。
16 卷 4 期 蒋仁培: 广义铁氧体变极化理论 3 37
由 Po inca re 极化球来描述。 每个极化矢法式 A (Α, Υ) = 〔co sΑejΥ, sinΑ〕T , 即琼斯矢量。 Α∈0～ 180°, Υ∈0～ 360°, 每对 (Α, Υ) 在极化球上的点 P (Α, Υ) 成一一对应, 其中 co sΑ、sinΑ分别表示水 平极化和垂直极化的幅度, Υ表示其间的相位差。
Abstract: A cco rd ing to the requ irem en ts of po la rim etric rada r fo r po la riza tion sta tes tha t the po la rity vecto rs m u st d istribu te a ll over the Po inca re po la riza tion sp here, tw o typ es of va riab le po2 la rity m echan ism , com pound2typ e and com b ined2typ e ferrite dua l m ode devices (FDM D ) , a re p re2 sen ted in th is p ap er. T he FDM D under bo th the action s of tran sverse quad rapo le and long itud ina l m agnetized field is ana lyzed by coup led2w ave theo ry. T he com p lex gyrom agnetic va riab le po la riza2 tion effect can be deduced by FDM D and w ill sa tisfy the requ irem en ts of po la rim etric rada r.
A x 和A y 之间存在相位差, 不同相差表示不同的椭轴旋转角, 所以〔A x , A y 〕T 仍为琼斯矢量。为
在以往的铁氧体变极化技术中, 有三种基本的双模器件可采用, 即法拉第旋转器 F , 变极 化器V 和波形差相移器 5。 第一种器件只能得到不同方向的线极化波; 第二种器件只能获得 两种旋向和任意椭圆度但非任意姿态的椭圆极化波; 5 仅有调节波形差相移功能而不能单独 调 节极化形态变化。 所以法拉第旋转器的输出为〔co sΑ, sinΑ〕T ; 变极化器的输出为〔co sΑ, j sinΑ〕T , 均非任意取向的椭圆极化波。为了获得A (Α, Υ) 形态的全极化, 必须寻找新的变极化机 制, 为此提出以上述三种基本效应为基础, 相互结合、拓宽应用, 例如把法拉第旋转效应和变极 化效应结合起来应用时, 变极化效应完成线极化—椭圆极化功能, 法拉第旋转可把椭圆极化波 旋转一个角度以获得任意轴取向的椭圆极化波 (椭圆法拉第旋转) , 这种思路带有逻辑推理性, 但立论是否正确, 结构设计上是否合理和现实? 是需要详细讨论的问题。
两种方向的极化各自代表两种耦合模式, 相当 F V 型情况, 其耦合波方程式为
dA x = dz
j ΒA x -
k 12A y
(1)
dA y dz
=
-
k 21A x -
j ΒA y
式中 Β 为两种极化在本征态 (非耦合态) 下的传播常数, 它们是简并的; k 12和 k 21为纵向场和横
向四磁极场共同作用下的模式间耦合系数, 其中 k 12= k f +
k
2 f
+
k
2 v
Ax
z= 0 =
1;
dA x
dz
z= 0 = -
j Β; A y
z= 0 =
0;
dA y
dz
z= 0 = -
k 21
代入 (3) 式, 求出 A = B = 1 2 和 C =
- j k 21 Β+ - Β-
=
-
j k 21 2k
;
D
=
j k 21
Β+ - Β-
=
j k 21 2k
Key term s: Po la riza tion sp here, Coup led w ave, Ferrite va riab le po la riza tion
一、雷达极化与铁氧体变极化
雷达相控阵体制的发展, 大大促进了铁氧体移相器的研究, 在过去四十年中, 铁氧体移相 器技术在雷达中已获得了广泛的应用, 移相器的快速可变相移已实现波束无惯性扫描技术并 得到雷达设计者的青睐。 关于雷达变极化问题, 提出较晚, 铁氧体变极化技术在雷达中的应用 比较零散, 没有形成热点, 其原因是多方面的。近年来雷达极化技术的发现, 观测目标已从原来 的“点”目标发展成“体”目标的概念。极化识别、极化检测、极化抗干扰等问题相继提出, 对铁氧 体变极化技术提出了许多新的要求。过去对铁氧体变极化技术仅停留在狭义的概念上, 所谓多 极化仅是指水平、垂直、±45°线极化和左、右圆极化等六种极化状态, 而近代雷达极化的要求 是“全极化的”, 要求有各种形态 (各种极化比)、各种姿态 (不同椭轴倾角) 和不同极化旋向。 可
Β1 + 2
Β2
z
Q- 2
A y =
(
k k
)
sin
1+
- 2
Q k z e-
j
Β1 + 2
Β2
z
(9)
1+ Q- 2
其中Q = 2k (Β1- Β2) 称为耦合能力, 取决其耦合度 k 和同步情况。(9) 式貌似复杂, 异于 (4) 式
的法式全极化形态, 但它却是全极化状态, 首先它满足能量守恒关系 A x 2+ A y 2= 1; 其次,
【摘要】 本文根据极化雷达对极化状态在 Po incare 极化球面上分布的要求, 提出了复合型和 混合型两种铁氧体双模器件的变极化机制。 利用双模器件的耦合波理论, 分析了在横向四磁极和 纵向磁化场的共同作用下, 产生复杂的旋磁效应, 即复合变极化效应和组合变极化效应, 满足了极 化雷达的要求。
关键词: 极化球, 耦合波, 铁氧体变极化
jkv , k 21= -
kf +
jk v, 满足 k12= -
k
3 21
的负共轭关系, k f 和 kv 分别为法拉第旋转效应和变极化效应导致的耦合系数。 一阶耦合波方
程组通过演化可以变成二阶线性方程的形式
d 2A x , y dz2
+
2
j
Β
dA d
x
z
,
y
-
(Β2 + k 12k 21)A x , y = 0
当双模变极化器有三种磁化场同时作用时 (图 1 (c) ) , 产生三种基本效应的复合, 即法拉 第旋转效应、变极化效应和波形差相移效应的复合。带撇的四磁极磁化场, 倾斜 x、y 轴 45°, 其 作用是使正交模非简并化, 四磁极场和纵向场在系统中仍然是分别产生变极化和法拉第旋转 效应。 双模在非简并状态下产生了非同步耦合, 其耦合波方程为
k k
sink
z
Tf v =