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天线极化：什么是天线极化及其重要性

作者： Bill Schweber 2022-07-28

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工程

无线通信

射频与无线

电子工程师们都知道，天线是以麦克斯韦方程所描述的电磁 (EM) 能量波的形式发送和接收信号的。与许多主题一样，可以从不同层次研究这些方程以及电磁的传播、属性，从相对定性的条款到复杂的方程。

电磁能量传播包括多个方面，极化是其中之一，且会在应用及其天线设计中产生不同程度的影响或受到不同程度的关注。极化基本原理适用于所有的电磁辐射，包括射频/无线、光能，也经常用于光学应用中。本文只关注射频。

什么是天线极化？

理解极化前，首先要了解电磁波的基本原理。这些波由电场（E 场）和磁场（H 场）组成，且单向运动。E 场和 H 场相互垂直，也与平面波传播的方向垂直。

极化是指从信号发射器的角度看 E 场平面：对于水平极化，电场将在水平平面内侧向移动，而对于垂直极化，电场将在垂直平面内上下振荡（图 1）。

图 1：电磁能量波由相互垂直的 E 场和 H 场分量组成。（图片来源：Electronics-Notes）

当发射和接收天线的极化在同一平面内时，一对发射天线和接收天线的工作效果最好。当然，正如“在太空中，没有人能听到你的尖叫”（对 1979 年的经典电影《异形》表示歉意并点头）。在太空中，也确实没有水平或垂直。尽管如此，为实现最大的信号能量传输和捕获，极化和天线对准的概念仍然有效。

线性极化和圆极化

极化模式包括以下几种：

• 在基本的线性极化中，两个可能的极化是相互正交（垂直）的（图 2）。理论上，水平极化的接收天线不会“看到”来自垂直极化天线的信号，反之亦然，即使两者的工作频率相同。它们的对准度越高，捕获的信号就越多，当极化匹配时能量转移会达到最大。

图 2：线性极化提供了两个相互成直角的极化选择。（图片来源：Mimosa Networks, Inc.）

• 天线的斜极化是线性极化的一种。与基本的水平和垂直极化一样，这种极化只在地面环境中有意义。斜极化与水平参考平面呈 ±45 度夹角。虽然这实际上只是线性极化的另一种形式，但术语“线性”通常只指水平或垂直极化的天线。

尽管有一些损耗，由斜天线发送（或接收）的信号用于仅水平或垂直极化的天线是可行的。当一个或两个天线的极化不详或在使用过程中发生变化时，斜极化天线就有了用武之地。

• 圆极化 (CP) 比线性极化更复杂。在这种模式下，E 场矢量代表的极化随着信号的传播而旋转。当向右旋转时（从发射器向外看），圆极化称为右旋圆极化 (RHCP)；当向左旋转时，为左旋圆极化 (LHCP)（图 3）。

图 3：在圆极化中，电磁波的 E 场矢量会旋转；这种旋转可以是右旋，也可以左旋。（图片来源：JEM Engineering）

一个 CP 信号由两个异相的正交波组成。生成 CP 信号需要三个条件。E 场必须由两个正交分量；这两个分量的相位必须相差 90 度，并且振幅相等。产生 CP 的简单方法是使用螺旋形天线。

• 椭圆极化 (EP) 是 CP 的一种。椭圆极化波是由两个线性极化波产生的增益，与 CP 波一样。当两个相互垂直的、振幅不等的线性极化波结合在一起时，就会产生椭圆极化波。

天线之间的极化不匹配是由极化损耗因子 (PLF) 来描述的。该参数以分贝 (dB) 表示，是发射和接收天线之间极化角差异的函数。理论上，PLF 的范围可以从完全对准的天线的 0 分贝（无损耗）到完全正交的天线的无限分贝（无限损耗）。

然而现实中，极化的对准（或错位）并不完美，因为天线的机械位置、用户行为、信道失真、多路径反射和其他现象都会导致所发送电磁场发生一些角度扭曲。最初，正交极化会有 10 - 30 dB 或更多的信号交叉极化“泄露”，这在某些情况下可能足以干扰所需信号的恢复。

相反，对于两个具有理想极化且对准的天线来讲，其实际 PLF 可能为 10 dB、20 dB 或更大，这取决于具体情况，且可能会阻碍信号恢复。换句话说，非预期交叉极化和 PLF 会通过干扰所需信号或降低所需信号强度而进行双向作用。

为什么关注极化？

极化在两个方面起作用：两根天线的对准度越高且极化相同，则接收信号的强度就越好。反之，极化对准差会使得无论是预期的，还是不满意的接收器都更难捕捉到足够多的有用信号。在许多情况下，“信道”扭曲了所传输的极化，或者一个或两个天线不在固定的静态方向上。

选择使用哪种极化，通常由安装或大气条件决定。例如，水平极化的天线安装在天花板附近时，效果会更好并能保持其极化；相反，垂直极化的天线在安装在侧墙附近时，其效果更接近于标称极化性能。

广泛使用的偶极天线（普通或折叠式）在其“正常”安装方向上为水平极化（图 4），并经常旋转 90 度，以便在需要时呈现垂直极化或支持首选极化模式（图 5）。

图 4：偶极天线通常水平安装在其天线杆上，以提供水平极化。（图片源：KAC Radio）

图 5：对于需要垂直极化的应用，偶极天线可以相应地安装在天线赶上。（图片来源：Progressive Concepts）

垂直极化通常用于手持移动无线电设备，如急救人员使用的无线设备，因为许多垂直极化的无线电设备天线设计也提供全向辐射模式。因此，即使是无线电设备和天线方向发生了改变，这类天线不必重新调整方向。

3 - 30 MHz 高频 (HF) 频天线通常采用简单的长线结构，在支架之间水平地串在一起。其长度由波长决定（10 - 100 m）。这类天线自然是水平极化的。

值得注意的是，将该频段称作“高频”从几十年前就开始了，在当时 30 MHz 确实是高频。虽然这种描述现在看来已经过时了，但它是国际电信联盟官方指定的，仍被广泛使用。

首选的极化可能有两种决定方式：要么通过使用 300 kHz - 3 MHz 中波 (MW) 频段的广播设备使用地面波进行更强的近距离信号发送，要么通过电离层使用天空波进行长距离链接。一般来说，垂直极化天线的地面波传播效果更好，而水平极化的天空波性能更好。

圆极化广泛用于卫星，因为卫星相对于地面站和其他卫星的方向是不断变化的。当发射和接收天线都是圆极化时，发射和接收天线之间的效率最高，但线性极化天线可以与 CP 天线一起使用，不过此时存在极化损耗因子。

极化对 5G 系统也很重要。一些 5G 多输入/多输出 (MIMO) 天线阵列通过极化更有效地利用可用频谱来实现吞吐量增加。这是利用不同的信号极化与天线的空间复用（空间分集）的组合来实现的。

该系统可以传输两种数据流，因为这些数据流通过独立的正交极化天线连接，可以单独恢复。即使由于路径和信道失真、反射、多路径和其他不完善因素而存在一些交叉极化，接收器采用的复杂算法仍可恢复每个原始信号，从而实现低误码率 (BER)，最终提高频谱利用率。

标准天线提供极化选择

人们很自然地认为只有高度可见的、安装在高杆上的大型天线存在极化问题，事实并非如此。例如，PCTel BOAH515905NM 是一款水平极化 Wi-Fi 天线，适用于 5.1GHz - 5.9GHz 频段，主要针对室外 802.11ac 接入点（图 6）。

图 6：PCTel BOAH515905NM 水平极化 Wi-Fi 天线旨在为 5.1 GHz 至 5.9 GHz（802.11 ac）Wi-Fi 连接提供户外接入点。（图片来源：PCTel）

这款全密封 IP67 级天线采用白色塑料天线罩。该天线罩坚固耐用且防紫外线，包括一体式 N 型面板安装连接器（提供公头和母头版本）。该天线罩的尺寸为 1.26 in 外径 × 6.32 in 长（3.20 × 16.1 cm），提供 5 dBi 标称增益，并且在整个指定频段的电压驻波比 (VSWR) 低于 2 : 1。

在较小的天线中也可以设计导入极化。Taoglas 的 PC140.07.0100A 是一款圆极化 2.45 GHz（标称）天线，适用于工业、科学和医疗 (ISM)、蓝牙和 Wi-Fi 应用（图 7）。

图 7：Taoglas 的 PC140.07.0100A 微型天线采用与系统电路板一起嵌入外壳中的设计。（图片来源：Taoglas）