天线的参数指标(8) 极化特性——线极化、圆极化、轴比

8.    极化特性——线极化、圆极化、轴比

天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化天线，也称为线极化（Linear polarized）天线。图2-25给出了两种基本的单极化的情况，图2-25（a）为垂直极化，是最常用的单极化天线；图2-25（b）为水平极化，也经常被用到。

图2-25 两种基本的单极化特性示意图

当一个天线同时存在两种极化的时候，我们叫做双极化天线，当水平极化和垂直极化相位差90°时，电场磁场相互转换旋转向前辐射，这样就是圆极化天线（Circular Polarized）。如图2-26所示为在X轴方向和Y轴方向随时间变化的线极化矢量，从而形成了圆极化辐射。

图2-26 x/y轴线极化矢量图

对于一般的情况，即正弦时间变化矢量的两个分量（水平极化和垂直极化）的大小、方向和相位均为任意大小，合成矢量的末端轨迹是一个椭圆，它们的合成矢量就是椭圆极化。总的来说，电磁波的极化类型分为线极化、椭圆极化和圆极化。极化波的合成矢量轨迹分别如图2-27所示。

图2-27 极化波

既然椭圆极化两个极化矢量（垂直极化和水平极化）大小存在差异（没有绝对的圆极化天线），那么这里提出一个概念轴比AR（AxisRatio）定义为：    

如图2-28所示：其中OA是半长轴，OB是半短轴。

如果用分贝表示则有

图2-28 倾角为的椭圆极化

为了反映极化波的旋向，规定AR具有正、负号：对左旋波，AR的符号为正；对右旋波，AR的符号为负。这样，由轴比AR和倾角便确定了任一极化状态。

圆极化天线的基本电参数就是它所辐射的电磁波的轴比\AR\，一般是指其最大增益方向上的轴比。对于圆极化波，\AR\=1，即0dB。轴比\AR\不大于3dB的带宽定义为天线的圆极化带宽。在进行RFID天线的设计时，轴比小于3的圆极化天线都被认为实现良好的圆极化。

圆极化波具有以下重要性质：

①     圆极化波是一个等幅的瞬时旋转场。即沿其传播方向看去，波的瞬时电场矢量的端点轨迹是一个圆。若瞬时电场矢量沿传播方向按左手螺旋的方向旋转，则称之为左旋圆极化波；若沿传播方向按右手螺旋旋转，则称之为右旋圆极化波。

②     一个圆极化波可以分解为两个在空间上和在时间上均正交的等幅线极化波。由此，实现圆极化天线的基本原理就是：产生两个空间上正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等、相位相差90°。

③     任意极化波都可以分解成两个旋向相反的圆极化波。比如，一个线极化波可以分解成两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此，任意极化的来波都可由圆极化波天线接收；同样，圆极化天线辐射的圆极化波也可以由任意极化的天线接收。在超高频RFID某些应用中，比如机场行李处理系统，为了能在特定范围内提供高方向性和窄波束来更好识别物体，阅读器天线一般设计成线极化，而由于标签摆放的方向不定，为了满足阅读器天线极化特性要求必须实现标签天线的圆极化。

④     天线若辐射左旋圆极化波，则只能接收左旋圆极化波而不能接收右旋圆极化波；反之，若天线辐射右旋圆极化波，则只能接收右旋圆极化波而不能接收左旋圆极化波。这称为圆极化天线的旋向正交性。在超高频RFID系统应用中应注意天线的极化特性。

⑤     圆极化波入射到对称目标（如平面、球面等）时，反射波会变为反旋向的。即左旋变右旋，右旋变左旋。根据这个性质，采用圆极化波工作的雷达具有抑制雨雾干扰的能力。由于不同的物体对波具有不同的反射特性，用圆极化波照射物体，分析接收的反射波可以知道物体的特性，因此，圆极化天线在目标识别中也有着广泛的应用。