深入浅出圆极化天线原理与设计

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天线，作为无线电的眼睛，是用来辐射和接收空间电磁波信号的转换器件，在卫星通信，移动通信，卫星导航，遥感和探测等领域发挥着重要的作用。

下图是天线辐射和接收电磁波的原理图。

No.1

电磁波在空间传播时，其电场E方向是按照一定方向变化的，而这种变化就是电磁波的极化。根据电磁波的极化方式，电磁波可分为线极化波，圆极化波和椭圆极化波，电场在一个平面上变化的叫做线极化波，电场方向是旋转变化的，称为椭圆极化波；如果在旋转过程中，电场幅度保持不变，那么就是圆极化波，如下图所示。

向着电磁波的传播方向看去，如果圆极化波的旋转方向是顺时针旋转的电磁波称为右旋圆极化波，逆时针方向旋转的称为左旋圆极化波。

看一下下面动图，你能分辨出是什么圆极化方式吗？

而用来接收和发射圆极化波的天线就称为圆极化天线。右旋圆极化波需要用右旋圆极化天线来发射和接收，而左旋圆极化波则要用左旋圆极化天线来发射和接收，否则，就会产生极化损失，也称为极化隔离。

但是一个有趣的现象是，圆极化天线可以接收任意形式的线极化波，同时其辐射的电磁波也可以被任意形式的线极化天线接收。这是因为一个圆极化波可以分解为两个相位相差90°，幅度相等，空间上正交的两个线极化波，同理，两个相位相差90°，幅度相等，空间正交的线极化波也可以合成一个圆极化波。

正是因为这个特性，可以使得发射天线和接收天线更加灵活，在卫星通信系统中，圆极化天线都是必不可少的关键器件。

评价一个射频器件的优劣，我们定义了很多指标，圆极化天线也不例外，比如我们常说的方向性，增益，阻抗，带宽等等。圆极化天线的带宽主要取决于各项参数的频率特性，包括输入阻抗，方向性系数，轴比，方向图，增益，极化特性，主瓣带宽等等。

（1）天线的输入阻抗和反射系数

天线的输入阻抗是反映天线电路特征的电参数，定义为天线在其输入端所呈现的阻抗，可表示为输入端电压Uin和输入端电流Iin的比值，或者用输入功率来表示，公式如下：

也可以表示为：

其中Γ为天线输入端的反射系数，Zc为天线输入端馈线的特征阻抗。

这样反射系数Γ也可以用天线的输入阻抗Zin和馈线特征阻抗Zc来表示：

以此也可以得到天线的回波损耗RL/S11和电压驻波比VSWR，公式如下

记住，这三个参数表示的都是阻抗匹配程度的参量，本质上没啥区别。

详情请阅读：详解 VSWR 和 RL。

（2）轴比

轴比是圆极化天线的一个重要参数。在上文的介绍中，我们知道圆极化天线是椭圆极化天线的一种特殊形式，如下图所示，一个椭圆中含有两个基本参数：长轴为2A，短轴为2B。

而轴比就是长轴和短轴的比值，常用dB来表示。

我们知道，一个纯圆极化天线的长轴和短轴相等，也就是A/B=1，AR=0dB。但是实际应用中，我们一般把AR小于等于3dB的带宽称为天线的圆极化轴比带宽。

（3）方向性系数

为了定量描述天线方向性的强弱，定义天线在最大辐射方向上的远区某点功率密度与辐射功率相同的无方向天线在同一点的功率密度的比值为天线的方向性系数D。

公式如下：

上式中：

因此，天线方向性系数D可以化简为：

（4）增益

我们知道一个无源器件是不可能产生正增益的，但是天线是一个例外。天线的增益是指该天线在最大辐射方向上的远区某一点的功率密度与输入功率相同的无方向性天线在同一点的功率密度之比，表示为：

无方向性天线假定是一个理想天线，其辐射功率Pr就是输入功率Pin，所以，天线的增益公式可以表示为：

上式中的D就是天线的方向性系数，er则是天线的辐射效率。所以，一般情况下，天线的增益就是天线的方向性系数和辐射效率的乘积，一般用dB表示

所以，天线的增益，其实是天线和理想无方向天线性能的对比。

（5）天线的带宽

天线的每一个参数都是一个随频率变化的参量，不同频率下，其参数恶化程度不同，我们把电参数在容许范围之内的频率带宽称为天线的带宽。

来源：射频学堂

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首次发布时间：2024-06-16