天线常见的极化方式（天线极化的类型及应用）

无线通信系统是现代信息基础设施的重要部分。天线作为主要的射频元器件，在选购天线时，会从天线增益、定向性、波束范围、驻波比、天线极化等性能参数进行考虑，并进行验证。而今天我们来深入认识天线主要性能参数——天线极化。

（一）天线极化的介绍

天线在远场条件下辐射的都是横电磁波，电场矢量的方向和磁场垂直，且同时垂直于传播方向。于是，无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。

图源网络

如电波的电场方向垂直于地面，我们称它为垂直极化波。同理，平行于地面，就是水平极化波。另外，还有±45°的极化。

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同时电场的方向还可以是螺旋旋转的，叫椭圆极化波。双极化，则是2个天线振子在一个单元内，形成两个独立波。

因此天线极化方式分为线极化，圆极化和椭圆极化（如上图）。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。

900 MHz 贴片天线，左旋圆极化，8 dBi

01）线极化

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。

02）圆极化

圆极化地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度周期的变化，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。

03）椭圆极化

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。

（二）天线极化应用

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。

2.4/ 5 GHz 双频/双极化全向天线，9 dBi

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。

此外，由于终端使用者姿态的多样性，终端天线的极化方式往往是随机的，且由于多径传播和散射的作用，导致基站接收的信号往往为椭圆极化波，所以基站侧通常采用双极化天线来保证在任何情况都可以接受到信号。

当电磁波在接近地面传播时，水平极化波会在地面产生感应电流引起热损耗导致信号快速衰减，而垂直极化波不然，这导致水平和垂直极化分量大小存在不平衡。为了保证良好的分集接收效果，需要尽量平衡两个天线接受的信号强度，因此移动通信基站的双极化天线通常布置成±45度极化而不是水平垂直极化。