场强垂直或平行于地面

来源 https://www.zhihu.com/question/276141898

作者 https://www.zhihu.com/people/ailei-da-yang

1. 极化方式的重要性
极化是天线一个非常重要的指标。天线的S参数决定信号能不能进入天线，增益决定天线能不能将电磁波非常有力的辐射出去，极化决定天线辐射出去的电磁波在空间中的变化形式。

天线的极化有着非常重要的实际意义。极化很大程度上决定了天线的收发，比如左旋圆极化波不能被右旋圆极化天线接收，垂直极化的天线不能接收水平极化的电磁波。工程上用圆极化来抑制多径效应。假设接收天线是右旋圆极化，可以无损地接收右旋圆极化的直射来波，经过地面等多径反射的来波在反射时旋向变为左旋，不会被发射天线接受。此时的天线交叉极化反应了对反射波的接收抑制程度。良好的交叉极化可以抑制多径效应。

2.极化的定义

天线在远场辐射的都是横电磁波，如图1所示。电场矢量的方向总是和磁场垂直，并且电场和磁场都垂直于传播方向。假如电磁波沿着z轴传播，电场和磁场矢量一定在xoy平面，并且电场和磁场相互垂直。电场矢量的变化形式决定了天线的极化方式。在xoy平面变化的电场可以是沿着一条线变化也可以沿着一个圆变化（见图2不同极化方式电场在传播方向的横截面上的投影）。天线极化定义时用的是电场而不是磁场，两者是一样的，因为横电磁波的电场和磁场总是在传播方向的横截面上垂直。

（1）天线远场辐射的横电磁波

线极化：沿着电磁波的传播方向看，电场矢量始终沿着一条线变化.（图2 a）

圆极化：沿着电磁波的传播方向看，电场矢量总是在绕圈，并且绕的圏接近圆形（图2 b）

左旋圆极化：沿着电磁波的传播方向看是逆时针旋转（图2中的圆极化就是左旋圆极化）

右旋圆极化：沿着电磁波的传播方向看是顺时针旋转

椭圆极化：沿着电磁波的传播方向看，电场矢量总是在绕圈，并且绕的圏接近椭圆（图2 c）

左旋椭圆极化：沿着电磁波的传播方向看是逆时针旋转（如图2c中的椭圆极化）

右旋椭圆极化：沿着电磁波的传播方向看是顺时针旋转

关于左旋和右旋的简单判断方法：看电场旋转的方向和传播方向满足左手螺旋还是右手螺旋，满足左手螺旋就是左旋极化，反之亦然。

图2不同极化方式电场在传播方向横截面上的投影

3.极化在指标上的判定形式

一般来说查看一个天线的极化主要看最大辐射方向上的极化方式。通常所说的圆极化天线，并非在天线360度的辐射方向上轴比都小于3 dB，而是在辐射角度范围内满足轴比小于3dB。

天线的极化从指标上来判断最常用的是轴比（如图3，定义椭圆的长轴和短轴之比为轴比）。轴比小于3 dB可以认为是圆极化，轴比远大于3 dB为线极化。但是轴比小于3dB只能被认定为圆极化，却不能判断是左旋圆极化还是右旋圆极化。同理，也不能判断天线是x方向的线极化还是y或者z方向的线极化。要想进一步判断天线的极化形式，就需要查看天线的极化方向图。

基本的仿真软件比如HFSS中可以查看天线的极化方向图。如果天线x方向的极化方向图增益远大于y方向的极化方向图增益，天线就是x方向的线极化，反之亦然。天线左旋圆极化方向图增益远大于右旋圆极化方向图增益，就可以认为是左旋圆极化，反之亦然。两个极化方向图增益之间的差值为交叉极化电平，交叉极化电平越大表示天线在某一个方向上的极化越纯净。

另外，从极化方向图上也可以判断是线极化还是圆极化。极化方向图的x和y两个分量的增益相等可判定为圆极化，相差较大可判定为线极化并且大的分量就是线极化的方向。

4.天线不同极化的实质

天线极化代表天线辐射的横电磁波的电场分量的变化形式。如果沿着电磁波传播方向看，线极化天线电场矢量的变化方向始终在一条直线上，但实际电场矢量的变化不可能完全是直线，就像图2中的椭圆极化中的紫色投影一样，所以就用轴比来定义。椭圆的长轴与短轴之比定义为轴比。轴比很大时，椭圆的长轴远大于短轴，图中的紫色投影是一个特别窄特别长的椭圆，这时候天线是线极化。当轴比接近0，也就是短轴与长轴一样长（log1=0），紫色投影为标准的圆，这时候就是圆极化。

圆极化可分解为两个方向垂直的相位差90度的线极化。这是平时设计圆极化天线的一个思路。当用线极化天线接受圆极化波时会有一半的功率被损耗，因为垂直于接收天线的线极化波无法被接收天线接收。