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。
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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。
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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。
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图3电场矢量变化曲线
5.关于场强垂直或平行于地面
一般来说场强垂直于地面称为垂直极化,场强平行于地面称为水平极化。但是在有些场合中会恰好相反。因为所有水平极化和垂直极化都是相对于某个参照物来说的。
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图 4 水平极化与垂直极化
水平极化和垂直极化的参考物可以是任何东西。绝大多数用地面当参照物,所以就出现了我们常说的水平极化和垂直极化。立在地面上的单极子天线就是一个典型的垂直极化天线,但如果单极子天线水平放置又变成了水平极化。
两种极化波的优缺点:
水平极化:抗干扰强、地面反射波影响小、接收难度大、不利于移动接收
垂直极化:抗干扰弱、地面反射波影响大、接收简单、适合移动接收
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