解析天线的三种极化类型

解析天线的三种极化类型

电磁波的极化是指电磁波在传播过程中电场矢量方向随时间的变化。电磁波的传播可以理解为在四维空间中的传播，空间+时间。极化可以理解为固定空间某一个点，观察该点的电场矢量的矢端轨迹随时间变化的方式，这里要考虑到电磁波的传播方向。一般应用中，通常把距离源比较远的电磁波视为平面波，根据矢量的可分解性可以将电场矢量分解为等相位面内互相垂直的两个分量，再利用这两个分量的相位和幅度判断极化的方式。

线极化、圆极化、椭圆极化的动画演示

极化方式分为线极化，圆极化和椭圆极化。线极化两垂直电场分量相位相差nπ，幅度可不做要求，圆极化两垂直电场分量幅度要相等，相位相差九十度，椭圆极化是最一般的形式，对幅度、相位没有要求，线极化和圆极化是椭圆极化的两种特殊情况。最重要的点是，极化方式是和电磁波的传播方向息息相关的。

天线的极化类型

天线极化涉及根据电磁辐射的朝向对电磁辐射进行发送和接收。天线的极化情况决定了其电磁辐射收发性能。极化以电磁辐射电场分量的振荡平面为基础。如果电磁波的极化被天线极化旋转抵消，则该天线仅能捕获所述电磁波的一部分。因此，如果发射天线和接收天线以同一平面为基准平面，则为了实现通信链路的最佳效率，其极化方向应当相同。

天线极化的方式如上图所示，虽然存在多种极化类型，但主要分为线极化，圆极化和椭圆极化三种。射频天线通常为线极化或圆极化天线，而线极化天线又通常为垂直极化或水平极化天线，圆极化天线则为左旋或右旋圆极化天线。此外，还有一种常见的由线极化和圆极化通过复杂组合而形成的椭圆极化天线。又比如：根据极化的数量，可以分为单极化和双极化。双极化可以是两个线极化，也可以是两个圆极化(左旋圆极化和右旋圆极化)。

极化不同可能会导致信息传输失败。理清楚这个，可以帮助我们在实际应用中分析哪些情况是因为极化导致的信息传输效率差，也能在做应用方案的时候，快速选出适合应用的极化类型的天线产品，定出安装方式。不同应用可从不同的极化方式获得更佳效果。

例如，由于垂直极化电磁波比水平极化电磁波更加易于穿过起伏不平的地貌，因此垂直极化天线在陆地移动通信用途中具有更佳表现，而水平极化方式在仰赖电离层且通常为长距离通信的用途中表现更好。此外，由于圆极化通常可更佳地缓解卫星定向偏移导致的衰弱，因此圆极化常应用于卫星通信。

线极化

(1)线极化描述电场矢量在空间的取向固定不变的电磁波叫线极化。有时以地面为参数，电场矢量方向与地面平行的叫水平极化，与地面垂直的叫垂直极化。电场矢量与传播方向构成的平面叫极化平面。垂直极化波的极化平面与地面垂直;水平极化波的极化平面则垂直于入射线、反射线和入射点地面的法线构成的入射平面。(2)线极化的数学分析在三维空间，沿Z轴方向传播的电磁波，其瞬时电场可写为：

可见合成矢量的端点的轨迹为一条直线。线极化波又有水平极化波和垂直极化波之分。

圆极化

(1)圆极化的描述当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0~360度周期地变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化。在电场的水平分量和垂直分量振幅相等，相位相差90度或270度时，可以得到圆极化。圆极化，若极化面随时间旋转并与电磁波传播方向成右螺旋关系，称右圆极化;反之，若成左螺旋关系，称左圆极化。(2)圆极化的数学分析

图2 圆极化

椭圆极化

(1)椭圆极化的描述若Ex和Ey幅度和相位差均不满足上述条件时，合成矢量端点的轨迹为一个椭圆。椭圆极化波的椭圆长短轴之比，称为轴比，当椭圆的轴比等于1，椭圆极化波即是圆极化波。当轴比为无穷时，电波的极化为线极化。根据电场旋转方向不同，椭圆极化和圆极化可分为右旋极化和左旋极化两种。沿波的传播方向看去，电场矢量在截面内顺时针方向旋称右旋极化，逆时针方向旋称左旋极化。

双极化天线就是有水平和垂直两个方向的极化，而单极化天线仅是水平或者垂直。双极化天线示意图：

单极化天线示意图：

单极化天线使用3根或2根天线作为一个射频组。3根天线时，两根天线负责接收，一个天线作为发射;2根天线时，一根天线作为纯接收天线，一根天线结合发射和接收功能(通常是一发两收)。如果使用双极化天线，每个扇形只需要1根天线。天线极化损耗及应用

线极化系统的极化损耗取决于线极化天线和电磁波的极化矢量之间的角度，而且最大极化损耗发生于两者之间呈45度角时。在45度的极化矢量偏转角度下，最大极化损耗为0.5(即3dB)。在圆极化或椭圆极化系统的情形下，极化损耗的计算更加复杂，而且最大极化损耗可高达30dB。这就是为什么可利用极化实现信号隔离及天线系统之间可发生干扰的原因。虽然存在极化损耗，但以不同方式极化的天线仍可从具有不同极化类型的电磁波中接收到信号。因此，极化可实现的信号隔离效果具有一定的限度。

在通常情况下，可根据应用要求，选择天线极化方式。不同应用可从不同的极化方式获得更佳效果。例如，由于垂直极化电磁波比水平极化电磁波更加易于穿过起伏不平的地貌，因此垂直极化天线在陆地移动通信用途中具有更佳表现，而水平极化方式在仰赖电离层且通常为长距离通信的用途中表现更好。此外，由于圆极化通常可更佳地缓解卫星定向偏移导致的衰弱，因此圆极化常用于卫星通信。

垂直单极化天线与双极化天线的比较从发射的角度来看，由于垂直与地面的手机更容易与垂直极化信号匹配，因此垂直单极化天线会比其他非垂直极化天线的覆盖效果要好一些。特别是在开阔的山区和平原农村就更明显，实验证明在开阔地区的山区或平原农村这种天线的覆盖效果比双极化45 天线更好，但在市区由于建筑物林立，建筑物内外的金属体很容易使极化发生旋转，因此无论是单极化还是45 双极化天线在覆盖能力上没有多大区别。城区用正负45度双极化天线是因为城区环境复杂，如发射出的垂直或水平极化电磁波传播经过多次反射、折射、绕射传播后，到达接收端已经发生变化，用正负45度双极化天线可以减小极化损失，准确接收电磁波。

审核编辑：汤梓红