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什么是垂直极化、水平极化、圆极极化?都有什么特点和优势?

时间:2021-04-11 07:49来源:海猎人

天线的极化,就是指天线辐射时形成的电场强度方向

电波在空间传播时,其电场矢量的瞬时取向称为极化。极化方式有两类:一种是线极化,一种是圆极化。其中在线极化方式下又分为水平极化和垂直极化;在圆极化方式下又分左旋圆极化和右旋圆极化。如果电波传播时电场矢量的空间描出轨迹为一直线,它始终在一个平面内传播,则称为线极化波。线极化波又有水平极化波和垂直极化波之分。当电场强度方向垂直于地面时,此电波就称为垂直极化波;当电场强度方向平行于地面时,此电波就称为水平极化波。电波的极化特性取决于发射天馈系统的极化特性。接收天线必须与发射天线具有相同的极化和旋向特性,以实现极化匹配,从而接收全部能量。若部分匹配,则只能接收部分能量。

垂直极化

当电场强度方向垂直于地面时

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水平极化

当电场强度方向平行于地面时

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圆极化

当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0~360度周期地变化,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。

左旋圆极化
(LHCP)

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右旋圆极化
(RHCP)

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对于线极化,当收信天线的极化方向与线极化方向一致(电场方向)时,感应出的信号最大(电磁波在极化方向上投影最大);随着收信天线的极化方向与线极化方向偏离越来越多时,感应出的信号越小(投影不断减小);当收信天线的极化方向与线极化方向正交(磁场方向)时,感应出的信号为零(投影为零)。线极化方式对天线的方向要求较高。当然在实际条件下,电磁波传播途中遇到反射折射,会引起极化方向偏转,有时一个信号既可以被水平天线接收,也可以被垂直天线接收,但无论如何,天线的极化方向常常是需要考虑的重要问题。

对于圆极化,无论收信天线的极化方向如何,感应出的信号都是相同的,不会有什么差别(电磁波在任何方向上的投影都是一样的)。

打个形象的比喻,线极化类似弯曲在地面上爬行的蛇,圆极化类似蛇绕在木棍上绕行。再打个比喻,你拿一根绳子,上下摆,绳子传递的波就是线极化形式的;不断地画圆,传递的波就是圆极化的。


圆极化优点

圆极化的主要优点是,用它做发射时,如果用线极化的作接收,则任意方向的线极化都能接收到电平值,即不存在线极化和线极化垂直时接收不到电平值的情况。

下表显示了水平,垂直,RHCP(右旋圆极化)和LHCP(左旋圆极化)之间的关系以及以dB为单位的损耗。可见,使用不同线极化天线损耗可达30dB,使用圆极化天线接收线极化损耗只有3dB,但是不同极化圆极化之间损耗也有30dB,所以在卫星通信中选对天线的极化很重要。

 

如何实现圆极化?

1、螺旋天线很容易提供所需的圆极化,这取决于它们的构造。实际上,它是悬臂上的大型线圈,其中ClockWise(CW)绕组提供RHCP,Counter ClockWise提供LHCP。但是,有时螺旋天线的极化也是不利的,因为能反转极性。可以简单从外形上看出,如果螺旋天线为顺时针绕法,则给出RHCP(右旋)。如果逆时针绕法则给出LHCP(左旋)。


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2、“ Cross-Yagis”,是指两个相同的八木天线,第一个位于垂直位置,第二个位于水平位置。这两个天线之间的角度必须始终为90°,因此也可以将这些天线放置在“ X”形位置,第一个天线的角度为45°,第二个天线的角度为135°。

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下图显示了带有VHF和UHF“Cross-Yagis”天线的典型排列,可以用来做LEO卫星通信。

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如果CrossBoom(横梁)由非金属材料(例如木材,PVC等)制成, 则CrossBoom和Horizontal(水平)天线之间不会产生明显影响,因此在这种情况下,可以将两个天线安装为'+'字型安装。如果是金属横梁需要“X”型安装。


这两种装法的天线都是可以使用切换器切换极化的,如果您需要一个可以在垂直极化(用于本地通信),水平极化(用于远距离通信)和圆极化(用于卫星通信)之间改变的话,则“+”字安装有一定优势。只需要最少数量的同轴继电器,便能够使该系统在垂直-水平-RHCP极化之间“切换”,而“ X”字装法则需要更多的同轴继电器(和相位电缆)来实现。

3、两幅八木如何实现圆极化

上面说的是两幅八木结构上的要求,如果不使用相位电缆实现圆极化,不管是“+”字型机构还是“X”字型结构安装都必须使两幅八木天线之间有四分之一波长的前后间距,这样使用物理的方式实现90度相位差。从而实现圆极化。具体两幅八木天线的匹配方法可以复习一下前期关于阻抗的文章。

天线的阻抗匹配和堆叠

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下面用电缆移相法将两幅在同一位置“+”字交叉装法的八木天线实现圆极化举例说明:

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如果您看过之前关于阻抗的文章比较容易理解这个匹配

我们假设两幅八木都是50欧的阻抗。

天线1直接接奇数倍四分之一波长的75欧电缆合成出100欧阻抗。

天线2先连接一根四分之一波长的50欧馈线移相90度,再连接一根奇数倍四分之一波长的75欧电缆得到100欧合成阻抗。

两幅天线100欧合成阻抗并联得到50欧接任意长度50欧电缆到收发机。

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至于如何实现左旋还是右旋以上图所示正确的连接同轴电缆即可。

跟之前关于打蛋器的文章是不是很像?

所以阻抗匹配搞清楚后一通百通。

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