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來源：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) 能量波的形式發送和接收信號的。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，從相對定性的條款到復雜的方程。 電磁能量傳播包括多個方面，極化是其中之一，且會在應用及其天線設計中產生不同程度的影響或受到不同程度的關注。極化基本原理適用于所有的電磁輻射，包括射頻/無線、光能，也經常用于光學應用中。本文只關注射頻。 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（E 場）和磁場（H 場）組成，且單向運動。E 場和 H 場相互垂直，也與平面波傳播的方向垂直。 極化是指從信號發射器的角度看 E 場平面：對于水平極化，電場將在水平平面內側向移動，而對于垂直極化，電場將在垂直平面內上下振蕩（圖 1）。 
圖 1：電磁能量波由相互垂直的 E 場和 H 場分量組成。（圖片來源：Electronics-Notes） 當發射和接收天線的極化在同一平面內時，一對發射天線和接收天線的工作效果最好。當然，正如“在太空中，沒有人能聽到你的尖叫”（對 1979 年的經典電影《異形》表示歉意并點頭）。在太空中，也確實沒有水平或垂直。盡管如此，為實現最大的信號能量傳輸和捕獲，極化和天線對準的概念仍然有效。 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“看到”來自垂直極化天線的信號，反之亦然，即使兩者的工作頻率相同。它們的對準度越高，捕獲的信號就越多，當極化匹配時能量轉移會達到最大。
圖 2：線性極化提供了兩個相互成直角的極化選擇。（圖片來源：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境中有意義。斜極化與水平參考平面呈 ±45 度夾角。雖然這實際上只是線性極化的另一種形式，但術語“線性”通常只指水平或垂直極化的天線。 盡管有一些損耗，由斜天線發送（或接收）的信號用于僅水平或垂直極化的天線是可行的。當一個或兩個天線的極化不詳或在使用過程中發生變化時，斜極化天線就有了用武之地。 • 圓極化 (CP) 比線性極化更復雜。在這種模式下，E 場矢量代表的極化隨著信號的傳播而旋轉。當向右旋轉時（從發射器向外看），圓極化稱為右旋圓極化 (RHCP)；當向左旋轉時，為左旋圓極化 (LHCP)（圖 3）。
圖 3：在圓極化中，電磁波的 E 場矢量會旋轉；這種旋轉可以是右旋，也可以左旋。（圖片來源：JEM Engineering） 一個 CP 信號由兩個異相的正交波組成。生成 CP 信號需要三個條件。E 場必須由兩個正交分量；這兩個分量的相位必須相差 90 度，并且振幅相等。產生 CP 的簡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線性極化波產生的增益，與 CP 波一樣。當兩個相互垂直的、振幅不等的線性極化波結合在一起時，就會產生橢圓極化波。 天線之間的極化不匹配是由極化損耗因子 (PLF) 來描述的。該參數以分貝 (dB) 表示，是發射和接收天線之間極化角差異的函數。理論上，PLF 的范圍可以從完全對準的天線的 0 分貝（無損耗）到完全正交的天線的無限分貝（無限損耗）。 然而現實中，極化的對準（或錯位）并不完美，因為天線的機械位置、用戶行為、信道失真、多路徑反射和其他現象都會導致所發送電磁場發生一些角度扭曲。最初，正交極化會有 10 - 30 dB 或更多的信號交叉極化“泄露”，這在某些情況下可能足以干擾所需信號的恢復。 相反，對于兩個具有理想極化且對準的天線來講，其實際 PLF 可能為 10 dB、20 dB 或更大，這取決于具體情況，且可能會阻礙信號恢復。換句話說，非預期交叉極化和 PLF 會通過干擾所需信號或降低所需信號強度而進行雙向作用。 為什么關注極化？ 極化在兩個方面起作用：兩根天線的對準度越高且極化相同，則接收信號的強度就越好。反之，極化對準差會使得無論是預期的，還是不滿意的接收器都更難捕捉到足夠多的有用信號。在許多情況下，“信道”扭曲了所傳輸的極化，或者一個或兩個天線不在固定的靜態方向上。 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，效果會更好并能保持其極化；相反，垂直極化的天線在安裝在側墻附近時，其效果更接近于標稱極化性能。 廣泛使用的偶極天線（普通或折疊式）在其“正常”安裝方向上為水平極化（圖 4），并經常旋轉 90 度，以便在需要時呈現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：對于需要垂直極化的應用，偶極天線可以相應地安裝在天線趕上。（圖片來源：Progressive Concepts） 垂直極化通常用于手持移動無線電設備，如急救人員使用的無線設備，因為許多垂直極化的無線電設備天線設計也提供全向輻射模式。因此，即使是無線電設備和天線方向發生了改變，這類天線不必重新調整方向。 3 - 30 MHz 高頻 (HF) 頻天線通常采用簡單的長線結構，在支架之間水平地串在一起。其長度由波長決定（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”從幾十年前就開始了，在當時 30 MHz 確實是高頻。雖然這種描述現在看來已經過時了，但它是國際電信聯盟官方指定的，仍被廣泛使用。 首選的極化可能有兩種決定方式：要么通過使用 300 kHz - 3 MHz 中波 (MW) 頻段的廣播設備使用地面波進行更強的近距離信號發送，要么通過電離層使用天空波進行長距離鏈接。一般來說，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。 圓極化廣泛用于衛星，因為衛星相對于地面站和其他衛星的方向是不斷變化的。當發射和接收天線都是圓極化時，發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，不過此時存在極化損耗因子。 極化對 5G 系統也很重要。一些 5G 多輸入/多輸出 (MIMO) 天線陣列通過極化更有效地利用可用頻譜來實現吞吐量增加。這是利用不同的信號極化與天線的空間復用（空間分集）的組合來實現的。 該系統可以傳輸兩種數據流，因為這些數據流通過獨立的正交極化天線連接，可以單獨恢復。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，接收器采用的復雜算法仍可恢復每個原始信號，從而實現低誤碼率 (BER)，最終提高頻譜利用率。 標準天線提供極化選擇 人們很自然地認為只有高度可見的、安裝在高桿上的大型天線存在極化問題，事實并非如此。例如，PCTel BOAH515905NM 是一款水平極化 Wi-Fi 天線，適用于 5.1GHz - 5.9GHz 頻段，主要針對室外 802.11ac 接入點（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。（圖片來源：PCTel） 這款全密封 IP67 級天線采用白色塑料天線罩。該天線罩堅固耐用且防紫外線，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（3.20 × 16.1 cm），提供 5 dBi 標稱增益，并且在整個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計導入極化。Taoglas 的 PC140.07.0100A 是一款圓極化 2.45 GHz（標稱）天線，適用于工業、科學和醫療 (ISM)、藍牙和 Wi-Fi 應用（圖 7）。
圖 7：Taoglas 的 PC140.07.0100A 微型天線采用與系統電路板一起嵌入外殼中的設計。（圖片來源：Taoglas） 這種微型 50 (Ω) 天線，只有 57×57 mm 見方，0.97 mm 厚，配有一根直徑 1.13 mm、長 100 mm 的同軸電纜，并采用 IPEX 連接器（一種標準的 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）平面上都具有相當的全向性。（圖片來源：Taoglas） 結論 極化是一個經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用。天線能實現的端到端射頻性能范圍取決于其相對方向和對準情況。標準天線具有不同的極化并適用于頻譜的不同部分，從而為目標應用提供首選極化。 |
