深入淺出圓極化天線原理與設(shè)計(jì)

天線，作為無線電的眼睛，是用來輻射和接收空間電磁波信號的轉(zhuǎn)換器件，在衛(wèi)星通信，移動通信，衛(wèi)星導(dǎo)航，遙感和探測等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。下圖是天線輻射和接收電磁波的原理圖。

No.1?什么是圓極化天線

電磁波在空間傳播時(shí)，其電場E方向是按照一定方向變化的，而這種變化就是電磁波的極化。根據(jù)電磁波的極化方式，電磁波可分為線極化波，圓極化波和橢圓極化波，電場在一個(gè)平面上變化的叫做線極化波，電場方向是旋轉(zhuǎn)變化的，稱為橢圓極化波；如果在旋轉(zhuǎn)過程中，電場幅度保持不變，那么就是圓極化波，如下圖所示。

向著電磁波的傳播方向看去，如果圓極化波的旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的電磁波稱為右旋圓極化波，逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的稱為左旋圓極化波?？匆幌孪旅鎰訄D，你能分辨出是什么圓極化方式嗎？

而用來接收和發(fā)射圓極化波的天線就稱為圓極化天線。右旋圓極化波需要用右旋圓極化天線來發(fā)射和接收，而左旋圓極化波則要用左旋圓極化天線來發(fā)射和接收，否則，就會產(chǎn)生極化損失，也稱為極化隔離。

但是一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，圓極化天線可以接收任意形式的線極化波，同時(shí)其輻射的電磁波也可以被任意形式的線極化天線接收。這是因?yàn)橐粋€(gè)圓極化波可以分解為兩個(gè)相位相差90°，幅度相等，空間上正交的兩個(gè)線極化波，同理，兩個(gè)相位相差90°，幅度相等，空間正交的線極化波也可以合成一個(gè)圓極化波。

正是因?yàn)檫@個(gè)特性，可以使得發(fā)射天線和接收天線更加靈活，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，圓極化天線都是必不可少的關(guān)鍵器件。

No.2圓極化天線的主要參數(shù)

評價(jià)一個(gè)射頻器件的優(yōu)劣，我們定義了很多指標(biāo)，圓極化天線也不例外，比如我們常說的方向性，增益，阻抗，帶寬等等。圓極化天線的帶寬主要取決于各項(xiàng)參數(shù)的頻率特性，包括輸入阻抗，方向性系數(shù)，軸比，方向圖，增益，極化特性，主瓣帶寬等等。

（1）天線的輸入阻抗和反射系數(shù)

天線的輸入阻抗是反映天線電路特征的電參數(shù)，定義為天線在其輸入端所呈現(xiàn)的阻抗，可表示為輸入端電壓Uin和輸入端電流Iin的比值，或者用輸入功率來表示，公式如下：

也可以表示為：

其中Γ為天線輸入端的反射系數(shù)，Zc為天線輸入端饋線的特征阻抗。這樣反射系數(shù)Γ也可以用天線的輸入阻抗Zin和饋線特征阻抗Zc來表示：

以此也可以得到天線的回波損耗RL/S11和電壓駐波比VSWR，?公式如下

記住，這三個(gè)參數(shù)表示的都是阻抗匹配程度的參量，本質(zhì)上沒啥區(qū)別。詳情請閱讀：詳解 VSWR 和 RL。

（2）軸比

軸比是圓極化天線的一個(gè)重要參數(shù)。在上文的介紹中，我們知道圓極化天線是橢圓極化天線的一種特殊形式，如下圖所示，一個(gè)橢圓中含有兩個(gè)基本參數(shù)：長軸為2A，短軸為2B。
而軸比就是長軸和短軸的比值，常用dB來表示。

我們知道，一個(gè)純圓極化天線的長軸和短軸相等，也就是A/B=1，AR=0dB。但是實(shí)際應(yīng)用中，我們一般把AR小于等于3dB的帶寬稱為天線的圓極化軸比帶寬。

（3）方向性系數(shù)

為了定量描述天線方向性的強(qiáng)弱，定義天線在最大輻射方向上的遠(yuǎn)區(qū)某點(diǎn)功率密度與輻射功率相同的無方向天線在同一點(diǎn)的功率密度的比值為天線的方向性系數(shù)D。
公式如下：
上式中：因此，天線方向性系數(shù)D可以化簡為：

（4）增益

我們知道一個(gè)無源器件是不可能產(chǎn)生正增益的，但是天線是一個(gè)例外。天線的增益是指該天線在最大輻射方向上的遠(yuǎn)區(qū)某一點(diǎn)的功率密度與輸入功率相同的無方向性天線在同一點(diǎn)的功率密度之比，表示為：
無方向性天線假定是一個(gè)理想天線，其輻射功率Pr就是輸入功率Pin，所以，天線的增益公式可以表示為：

上式中的D就是天線的方向性系數(shù)，er則是天線的輻射效率。所以，一般情況下，天線的增益就是天線的方向性系數(shù)和輻射效率的乘積，一般用dB表示

所以，天線的增益，其實(shí)是天線和理想無方向天線性能的對比。

（5）天線的帶寬

天線的每一個(gè)參數(shù)都是一個(gè)隨頻率變化的參量，不同頻率下，其參數(shù)惡化程度不同，我們把電參數(shù)在容許范圍之內(nèi)的頻率帶寬稱為天線的帶寬。