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來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 電子工程師們都知道，天線是以麥克斯韋方程所描述的電磁 (EM) 能量波的形式發(fā)送和接收信號(hào)的。與許多主題一樣，可以從不同層次研究這些方程以及電磁的傳播、屬性，從相對(duì)定性的條款到復(fù)雜的方程。 電磁能量傳播包括多個(gè)方面，極化是其中之一，且會(huì)在應(yīng)用及其天線設(shè)計(jì)中產(chǎn)生不同程度的影響或受到不同程度的關(guān)注。極化基本原理適用于所有的電磁輻射，包括射頻/無(wú)線、光能，也經(jīng)常用于光學(xué)應(yīng)用中。本文只關(guān)注射頻。 什么是天線極化？ 理解極化前，首先要了解電磁波的基本原理。這些波由電場(chǎng)（E 場(chǎng)）和磁場(chǎng)（H 場(chǎng)）組成，且單向運(yùn)動(dòng)。E 場(chǎng)和 H 場(chǎng)相互垂直，也與平面波傳播的方向垂直。 極化是指從信號(hào)發(fā)射器的角度看 E 場(chǎng)平面：對(duì)于水平極化，電場(chǎng)將在水平平面內(nèi)側(cè)向移動(dòng)，而對(duì)于垂直極化，電場(chǎng)將在垂直平面內(nèi)上下振蕩（圖 1）。 
圖 1：電磁能量波由相互垂直的 E 場(chǎng)和 H 場(chǎng)分量組成。（圖片來(lái)源：Electronics-Notes） 當(dāng)發(fā)射和接收天線的極化在同一平面內(nèi)時(shí)，一對(duì)發(fā)射天線和接收天線的工作效果最好。當(dāng)然，正如“在太空中，沒(méi)有人能聽(tīng)到你的尖叫”（對(duì) 1979 年的經(jīng)典電影《異形》表示歉意并點(diǎn)頭）。在太空中，也確實(shí)沒(méi)有水平或垂直。盡管如此，為實(shí)現(xiàn)最大的信號(hào)能量傳輸和捕獲，極化和天線對(duì)準(zhǔn)的概念仍然有效。 線性極化和圓極化 極化模式包括以下幾種： • 在基本的線性極化中，兩個(gè)可能的極化是相互正交（垂直）的（圖 2）。理論上，水平極化的接收天線不會(huì)“看到”來(lái)自垂直極化天線的信號(hào)，反之亦然，即使兩者的工作頻率相同。它們的對(duì)準(zhǔn)度越高，捕獲的信號(hào)就越多，當(dāng)極化匹配時(shí)能量轉(zhuǎn)移會(huì)達(dá)到最大。
圖 2：線性極化提供了兩個(gè)相互成直角的極化選擇。（圖片來(lái)源：Mimosa Networks, Inc.） • 天線的斜極化是線性極化的一種。與基本的水平和垂直極化一樣，這種極化只在地面環(huán)境中有意義。斜極化與水平參考平面呈 ±45 度夾角。雖然這實(shí)際上只是線性極化的另一種形式，但術(shù)語(yǔ)“線性”通常只指水平或垂直極化的天線。 盡管有一些損耗，由斜天線發(fā)送（或接收）的信號(hào)用于僅水平或垂直極化的天線是可行的。當(dāng)一個(gè)或兩個(gè)天線的極化不詳或在使用過(guò)程中發(fā)生變化時(shí)，斜極化天線就有了用武之地。 • 圓極化 (CP) 比線性極化更復(fù)雜。在這種模式下，E 場(chǎng)矢量代表的極化隨著信號(hào)的傳播而旋轉(zhuǎn)。當(dāng)向右旋轉(zhuǎn)時(shí)（從發(fā)射器向外看），圓極化稱為右旋圓極化 (RHCP)；當(dāng)向左旋轉(zhuǎn)時(shí)，為左旋圓極化 (LHCP)（圖 3）。
圖 3：在圓極化中，電磁波的 E 場(chǎng)矢量會(huì)旋轉(zhuǎn)；這種旋轉(zhuǎn)可以是右旋，也可以左旋。（圖片來(lái)源：JEM Engineering） 一個(gè) CP 信號(hào)由兩個(gè)異相的正交波組成。生成 CP 信號(hào)需要三個(gè)條件。E 場(chǎng)必須由兩個(gè)正交分量；這兩個(gè)分量的相位必須相差 90 度，并且振幅相等。產(chǎn)生 CP 的簡(jiǎn)單方法是使用螺旋形天線。 • 橢圓極化 (EP) 是 CP 的一種。橢圓極化波是由兩個(gè)線性極化波產(chǎn)生的增益，與 CP 波一樣。當(dāng)兩個(gè)相互垂直的、振幅不等的線性極化波結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生橢圓極化波。 天線之間的極化不匹配是由極化損耗因子 (PLF) 來(lái)描述的。該參數(shù)以分貝 (dB) 表示，是發(fā)射和接收天線之間極化角差異的函數(shù)。理論上，PLF 的范圍可以從完全對(duì)準(zhǔn)的天線的 0 分貝（無(wú)損耗）到完全正交的天線的無(wú)限分貝（無(wú)限損耗）。 然而現(xiàn)實(shí)中，極化的對(duì)準(zhǔn)（或錯(cuò)位）并不完美，因?yàn)樘炀�的機(jī)械位置、用戶行為、信道失真、多路徑反射和其他現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致所發(fā)送電磁場(chǎng)發(fā)生一些角度扭曲。最初，正交極化會(huì)有 10 - 30 dB 或更多的信號(hào)交叉極化“泄露”，這在某些情況下可能足以干擾所需信號(hào)的恢復(fù)。 相反，對(duì)于兩個(gè)具有理想極化且對(duì)準(zhǔn)的天線來(lái)講，其實(shí)際 PLF 可能為 10 dB、20 dB 或更大，這取決于具體情況，且可能會(huì)阻礙信號(hào)恢復(fù)。換句話說(shuō)，非預(yù)期交叉極化和 PLF 會(huì)通過(guò)干擾所需信號(hào)或降低所需信號(hào)強(qiáng)度而進(jìn)行雙向作用。 為什么關(guān)注極化？ 極化在兩個(gè)方面起作用：兩根天線的對(duì)準(zhǔn)度越高且極化相同，則接收信號(hào)的強(qiáng)度就越好。反之，極化對(duì)準(zhǔn)差會(huì)使得無(wú)論是預(yù)期的，還是不滿意的接收器都更難捕捉到足夠多的有用信號(hào)。在許多情況下，“信道”扭曲了所傳輸?shù)臉O化，或者一個(gè)或兩個(gè)天線不在固定的靜態(tài)方向上。 選擇使用哪種極化，通常由安裝或大氣條件決定。例如，水平極化的天線安裝在天花板附近時(shí)，效果會(huì)更好并能保持其極化；相反，垂直極化的天線在安裝在側(cè)墻附近時(shí)，其效果更接近于標(biāo)稱極化性能。 廣泛使用的偶極天線（普通或折疊式）在其“正�！卑惭b方向上為水平極化（圖 4），并經(jīng)常旋轉(zhuǎn) 90 度，以便在需要時(shí)呈現(xiàn)垂直極化或支持首選極化模式（圖 5）。
圖 4：偶極天線通常水平安裝在其天線桿上，以提供水平極化。（圖片源：KAC Radio）
圖 5：對(duì)于需要垂直極化的應(yīng)用，偶極天線可以相應(yīng)地安裝在天線趕上。（圖片來(lái)源：Progressive Concepts） 垂直極化通常用于手持移動(dòng)無(wú)線電設(shè)備，如急救人員使用的無(wú)線設(shè)備，因?yàn)樵S多垂直極化的無(wú)線電設(shè)備天線設(shè)計(jì)也提供全向輻射模式。因此，即使是無(wú)線電設(shè)備和天線方向發(fā)生了改變，這類天線不必重新調(diào)整方向。 3 - 30 MHz 高頻 (HF) 頻天線通常采用簡(jiǎn)單的長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)，在支架之間水平地串在一起。其長(zhǎng)度由波長(zhǎng)決定（10 - 100 m）。這類天線自然是水平極化的。 值得注意的是，將該頻段稱作“高頻”從幾十年前就開(kāi)始了，在當(dāng)時(shí) 30 MHz 確實(shí)是高頻。雖然這種描述現(xiàn)在看來(lái)已經(jīng)過(guò)時(shí)了，但它是國(guó)際電信聯(lián)盟官方指定的，仍被廣泛使用。 首選的極化可能有兩種決定方式：要么通過(guò)使用 300 kHz - 3 MHz 中波 (MW) 頻段的廣播設(shè)備使用地面波進(jìn)行更強(qiáng)的近距離信號(hào)發(fā)送，要么通過(guò)電離層使用天空波進(jìn)行長(zhǎng)距離鏈接。一般來(lái)說(shuō)，垂直極化天線的地面波傳播效果更好，而水平極化的天空波性能更好。 圓極化廣泛用于衛(wèi)星，因?yàn)樾l(wèi)星相對(duì)于地面站和其他衛(wèi)星的方向是不斷變化的。當(dāng)發(fā)射和接收天線都是圓極化時(shí)，發(fā)射和接收天線之間的效率最高，但線性極化天線可以與 CP 天線一起使用，不過(guò)此時(shí)存在極化損耗因子。 極化對(duì) 5G 系統(tǒng)也很重要。一些 5G 多輸入/多輸出 (MIMO) 天線陣列通過(guò)極化更有效地利用可用頻譜來(lái)實(shí)現(xiàn)吞吐量增加。這是利用不同的信號(hào)極化與天線的空間復(fù)用（空間分集）的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 該系統(tǒng)可以傳輸兩種數(shù)據(jù)流，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)流通過(guò)獨(dú)立的正交極化天線連接，可以單獨(dú)恢復(fù)。即使由于路徑和信道失真、反射、多路徑和其他不完善因素而存在一些交叉極化，接收器采用的復(fù)雜算法仍可恢復(fù)每個(gè)原始信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)低誤碼率 (BER)，最終提高頻譜利用率。 標(biāo)準(zhǔn)天線提供極化選擇 人們很自然地認(rèn)為只有高度可見(jiàn)的、安裝在高桿上的大型天線存在極化問(wèn)題，事實(shí)并非如此。例如，PCTel BOAH515905NM 是一款水平極化 Wi-Fi 天線，適用于 5.1GHz - 5.9GHz 頻段，主要針對(duì)室外 802.11ac 接入點(diǎn)（圖 6）。
圖 6：PCTel BOAH515905NM 水平極化 Wi-Fi 天線旨在為 5.1 GHz 至 5.9 GHz（802.11 ac）Wi-Fi 連接提供戶外接入點(diǎn)。（圖片來(lái)源：PCTel） 這款全密封 IP67 級(jí)天線采用白色塑料天線罩。該天線罩堅(jiān)固耐用且防紫外線，包括一體式 N 型面板安裝連接器（提供公頭和母頭版本）。該天線罩的尺寸為 1.26 in 外徑 × 6.32 in 長(zhǎng)（3.20 × 16.1 cm），提供 5 dBi 標(biāo)稱增益，并且在整個(gè)指定頻段的電壓駐波比 (VSWR) 低于 2 : 1。 在較小的天線中也可以設(shè)計(jì)導(dǎo)入極化。Taoglas 的 PC140.07.0100A 是一款圓極化 2.45 GHz（標(biāo)稱）天線，適用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM)、藍(lán)牙和 Wi-Fi 應(yīng)用（圖 7）。
圖 7：Taoglas 的 PC140.07.0100A 微型天線采用與系統(tǒng)電路板一起嵌入外殼中的設(shè)計(jì)。（圖片來(lái)源：Taoglas） 這種微型 50 (Ω) 天線，只有 57×57 mm 見(jiàn)方，0.97 mm 厚，配有一根直徑 1.13 mm、長(zhǎng) 100 mm 的同軸電纜，并采用 IPEX 連接器（一種標(biāo)準(zhǔn)的 50 Ω 表面貼裝連接器，直接焊接在印刷電路板上）。這款天線由 FR-4 電路板材料制成，配備方便安裝的膠貼。 從其 X-Y 和 X-Z 輻射模式（圖 8）可以看出，該天線的輻射模式是高度全向的。其駐波比低于 2 :1，在 2.4 - 2.5GHz 工作頻段內(nèi)的效率約為 60%。
圖 8：Taoglas PC140.07.0100A 天線的輻射模式顯示其在 X - Y（左）和 X - Z（右）平面上都具有相當(dāng)?shù)娜蛐浴＃▓D片來(lái)源：Taoglas） 結(jié)論 極化是一個(gè)經(jīng)常被忽視的重要天線屬性。線性（包括水平和垂直）極化、斜極化、圓極化和橢圓極化用于不同的應(yīng)用。天線能實(shí)現(xiàn)的端到端射頻性能范圍取決于其相對(duì)方向和對(duì)準(zhǔn)情況。標(biāo)準(zhǔn)天線具有不同的極化并適用于頻譜的不同部分，從而為目標(biāo)應(yīng)用提供首選極化。 |
