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極化特性——線極化、圓極化、軸比

2025-07-25 17:25:18
天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構成。人們規定：電場的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化天線，也稱為線極化（Linear polarized）天線。圖給出了兩種基本的單極化的情況，圖（a）為垂直極化，是最常用的單極化天線；圖（b）為水平極化，也經常被用到。
 

 

 
當一個天線同時存在兩種極化的時候，我們叫做雙極化天線，當水平極化和垂直極化相位差90°時，電場磁場相互轉換旋轉向前輻射，這樣就是圓極化天線（Circular Polarized）。如圖所示為在X軸方向和Y軸方向隨時間變化的線極化矢量，從而形成了圓極化輻射。

 

 
 
對于一般的情況，即正弦時間變化矢量的兩個分量（水平極化和垂直極化）的大小、方向和相位均為任意大小，合成矢量的末端軌跡是一個橢圓，它們的合成矢量就是橢圓極化。總的來說，電磁波的極化類型分為線極化、橢圓極化和圓極化。極化波的合成矢量軌跡分別如圖所示。
 

 

 
既然橢圓極化兩個極化矢量（垂直極化和水平極化）大小存在差異（沒有絕對的圓極化天線），那么這里提出一個概念軸比AR（AxisRatio）定義為：    

 

如圖所示：其中OA是半長軸，OB是半短軸。
 
如果用分貝表示則有

 

 
為了反映極化波的旋向，規定AR具有正、負號：對左旋波，AR的符號為正；對右旋波，AR的符號為負。這樣，由軸比AR和傾角便確定了任一極化狀態。
 
圓極化天線的基本電參數就是它所輻射的電磁波的軸比\AR\，一般是指其最大增益方向上的軸比。對于圓極化波，\AR\=1，即0dB。軸比\AR\不大于3dB的帶寬定義為天線的圓極化帶寬。在進行RFID天線的設計時，軸比小于3的圓極化天線都被認為實現良好的圓極化。
 
圓極化波具有以下重要性質：
 
①     圓極化波是一個等幅的瞬時旋轉場。即沿其傳播方向看去，波的瞬時電場矢量的端點軌跡是一個圓。若瞬時電場矢量沿傳播方向按左手螺旋的方向旋轉，則稱之為左旋圓極化波；若沿傳播方向按右手螺旋旋轉，則稱之為右旋圓極化波。
 
②     一個圓極化波可以分解為兩個在空間上和在時間上均正交的等幅線極化波。由此，實現圓極化天線的基本原理就是：產生兩個空間上正交的線極化電場分量，并使二者振幅相等、相位相差90°。
 
③     任意極化波都可以分解成兩個旋向相反的圓極化波。比如，一個線極化波可以分解成兩個旋向相反、振幅相等的圓極化波。因此，任意極化的來波都可由圓極化波天線接收；同樣，圓極化天線輻射的圓極化波也可以由任意極化的天線接收。在超高頻RFID某些應用中，比如機場行李處理系統，為了能在特定范圍內提供高方向性和窄波束來更好識別物體，閱讀器天線一般設計成線極化，而由于標簽擺放的方向不定，為了滿足閱讀器天線極化特性要求必須實現標簽天線的圓極化。
 
④     天線若輻射左旋圓極化波，則只能接收左旋圓極化波而不能接收右旋圓極化波；反之，若天線輻射右旋圓極化波，則只能接收右旋圓極化波而不能接收左旋圓極化波。這稱為圓極化天線的旋向正交性。在超高頻RFID系統應用中應注意天線的極化特性。
 
⑤     圓極化波入射到對稱目標（如平面、球面等）時，反射波會變為反旋向的。即左旋變右旋，右旋變左旋。根據這個性質，采用圓極化波工作的雷達具有抑制雨霧干擾的能力。由于不同的物體對波具有不同的反射特性，用圓極化波照射物體，分析接收的反射波可以知道物體的特性，因此，圓極化天線在目標識別中也有著廣泛的應用。

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