解析天線的三種極化類型

電磁波的極化是指電磁波在傳播過程中電場矢量方向隨時間的變化。電磁波的傳播可以理解為在四維空間中的傳播，空間+時間。極化可以理解為固定空間某一個點(diǎn)，觀察該點(diǎn)的電場矢量的矢端軌跡隨時間變化的方式，這里要考慮到電磁波的傳播方向。一般應(yīng)用中，通常把距離源比較遠(yuǎn)的電磁波視為平面波，根據(jù)矢量的可分解性可以將電場矢量分解為等相位面內(nèi)互相垂直的兩個分量，再利用這兩個分量的相位和幅度判斷極化的方式。

線極化、圓極化、橢圓極化的動畫演示

極化方式分為線極化，圓極化和橢圓極化。線極化兩垂直電場分量相位相差nπ，幅度可不做要求，圓極化兩垂直電場分量幅度要相等，相位相差九十度，橢圓極化是最一般的形式，對幅度、相位沒有要求，線極化和圓極化是橢圓極化的兩種特殊情況。最重要的點(diǎn)是，極化方式是和電磁波的傳播方向息息相關(guān)的。

天線的極化類型

天線極化涉及根據(jù)電磁輻射的朝向?qū)﹄姶泡椛溥M(jìn)行發(fā)送和接收。天線的極化情況決定了其電磁輻射收發(fā)性能。極化以電磁輻射電場分量的振蕩平面為基礎(chǔ)。如果電磁波的極化被天線極化旋轉(zhuǎn)抵消，則該天線僅能捕獲所述電磁波的一部分。因此，如果發(fā)射天線和接收天線以同一平面為基準(zhǔn)平面，則為了實(shí)現(xiàn)通信鏈路的最佳效率，其極化方向應(yīng)當(dāng)相同。

天線極化的方式如上圖所示，雖然存在多種極化類型，但主要分為線極化，圓極化和橢圓極化三種。射頻天線通常為線極化或圓極化天線，而線極化天線又通常為垂直極化或水平極化天線，圓極化天線則為左旋或右旋圓極化天線。此外，還有一種常見的由線極化和圓極化通過復(fù)雜組合而形成的橢圓極化天線。又比如：根據(jù)極化的數(shù)量，可以分為單極化和雙極化。雙極化可以是兩個線極化，也可以是兩個圓極化(左旋圓極化和右旋圓極化)。

極化不同可能會導(dǎo)致信息傳輸失敗。理清楚這個，可以幫助我們在實(shí)際應(yīng)用中分析哪些情況是因?yàn)闃O化導(dǎo)致的信息傳輸效率差，也能在做應(yīng)用方案的時候，快速選出適合應(yīng)用的極化類型的天線產(chǎn)品，定出安裝方式。不同應(yīng)用可從不同的極化方式獲得更佳效果。

例如，由于垂直極化電磁波比水平極化電磁波更加易于穿過起伏不平的地貌，因此垂直極化天線在陸地移動通信用途中具有更佳表現(xiàn)，而水平極化方式在仰賴電離層且通常為長距離通信的用途中表現(xiàn)更好。此外，由于圓極化通?？筛训鼐徑庑l(wèi)星定向偏移導(dǎo)致的衰弱，因此圓極化常應(yīng)用于衛(wèi)星通信。

線極化

(1)線極化描述電場矢量在空間的取向固定不變的電磁波叫線極化。有時以地面為參數(shù)，電場矢量方向與地面平行的叫水平極化，與地面垂直的叫垂直極化。電場矢量與傳播方向構(gòu)成的平面叫極化平面。垂直極化波的極化平面與地面垂直;水平極化波的極化平面則垂直于入射線、反射線和入射點(diǎn)地面的法線構(gòu)成的入射平面。(2)線極化的數(shù)學(xué)分析在三維空間，沿Z軸方向傳播的電磁波，其瞬時電場可寫為：

可見合成矢量的端點(diǎn)的軌跡為一條直線。線極化波又有水平極化波和垂直極化波之分。

圓極化

(1)圓極化的描述當(dāng)無線電波的極化面與大地法線面之間的夾角從0~360度周期地變化，即電場大小不變，方向隨時間變化，電場矢量末端的軌跡在垂直于傳播方向的平面上投影是一個圓時，稱為圓極化。在電場的水平分量和垂直分量振幅相等，相位相差90度或270度時，可以得到圓極化。圓極化，若極化面隨時間旋轉(zhuǎn)并與電磁波傳播方向成右螺旋關(guān)系，稱右圓極化;反之，若成左螺旋關(guān)系，稱左圓極化。(2)圓極化的數(shù)學(xué)分析

圖2 圓極化

橢圓極化

(1)橢圓極化的描述若Ex和Ey幅度和相位差均不滿足上述條件時，合成矢量端點(diǎn)的軌跡為一個橢圓。橢圓極化波的橢圓長短軸之比，稱為軸比，當(dāng)橢圓的軸比等于1，橢圓極化波即是圓極化波。當(dāng)軸比為無窮時，電波的極化為線極化。根據(jù)電場旋轉(zhuǎn)方向不同，橢圓極化和圓極化可分為右旋極化和左旋極化兩種。沿波的傳播方向看去，電場矢量在截面內(nèi)順時針方向旋稱右旋極化，逆時針方向旋稱左旋極化。

雙極化天線就是有水平和垂直兩個方向的極化，而單極化天線僅是水平或者垂直。雙極化天線示意圖：

單極化天線示意圖：

單極化天線使用3根或2根天線作為一個射頻組。3根天線時，兩根天線負(fù)責(zé)接收，一個天線作為發(fā)射;2根天線時，一根天線作為純接收天線，一根天線結(jié)合發(fā)射和接收功能(通常是一發(fā)兩收)。如果使用雙極化天線，每個扇形只需要1根天線。天線極化損耗及應(yīng)用

線極化系統(tǒng)的極化損耗取決于線極化天線和電磁波的極化矢量之間的角度，而且最大極化損耗發(fā)生于兩者之間呈45度角時。在45度的極化矢量偏轉(zhuǎn)角度下，最大極化損耗為0.5(即3dB)。在圓極化或橢圓極化系統(tǒng)的情形下，極化損耗的計(jì)算更加復(fù)雜，而且最大極化損耗可高達(dá)30dB。這就是為什么可利用極化實(shí)現(xiàn)信號隔離及天線系統(tǒng)之間可發(fā)生干擾的原因。雖然存在極化損耗，但以不同方式極化的天線仍可從具有不同極化類型的電磁波中接收到信號。因此，極化可實(shí)現(xiàn)的信號隔離效果具有一定的限度。

在通常情況下，可根據(jù)應(yīng)用要求，選擇天線極化方式。不同應(yīng)用可從不同的極化方式獲得更佳效果。例如，由于垂直極化電磁波比水平極化電磁波更加易于穿過起伏不平的地貌，因此垂直極化天線在陸地移動通信用途中具有更佳表現(xiàn)，而水平極化方式在仰賴電離層且通常為長距離通信的用途中表現(xiàn)更好。此外，由于圓極化通?？筛训鼐徑庑l(wèi)星定向偏移導(dǎo)致的衰弱，因此圓極化常用于衛(wèi)星通信。

垂直單極化天線與雙極化天線的比較從發(fā)射的角度來看，由于垂直與地面的手機(jī)更容易與垂直極化信號匹配，因此垂直單極化天線會比其他非垂直極化天線的覆蓋效果要好一些。特別是在開闊的山區(qū)和平原農(nóng)村就更明顯，實(shí)驗(yàn)證明在開闊地區(qū)的山區(qū)或平原農(nóng)村這種天線的覆蓋效果比雙極化45 天線更好，但在市區(qū)由于建筑物林立，建筑物內(nèi)外的金屬體很容易使極化發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此無論是單極化還是45 雙極化天線在覆蓋能力上沒有多大區(qū)別。城區(qū)用正負(fù)45度雙極化天線是因?yàn)槌菂^(qū)環(huán)境復(fù)雜，如發(fā)射出的垂直或水平極化電磁波傳播經(jīng)過多次反射、折射、繞射傳播后，到達(dá)接收端已經(jīng)發(fā)生變化，用正負(fù)45度雙極化天線可以減小極化損失，準(zhǔn)確接收電磁波。

審核編輯：湯梓紅