輻射垂直極化方向與水平極化方向的差異性

經(jīng)常會(huì)有工程師、客戶、以及同事聊到測(cè)試輻射時(shí)，為什么大部分都是接收天線在垂直方向比較差，水平方向卻很好呢？很多客戶在測(cè)試時(shí)特別是開(kāi)關(guān)電源客戶看一下水平方向的數(shù)據(jù)確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題后，直接無(wú)視水平測(cè)試數(shù)據(jù)，只測(cè)試雙錐對(duì)數(shù)周期天線垂直極化方向的數(shù)據(jù)就好。
先就輻射測(cè)試的基本情況簡(jiǎn)述一下，在測(cè)試輻射時(shí)被測(cè)產(chǎn)品，放在一個(gè)屏蔽的暗室里面的轉(zhuǎn)臺(tái)上面的0.8m高絕緣桌子上面，此桌子可以360°旋轉(zhuǎn)。另外，在其待測(cè)試產(chǎn)品的另外一端3m或者10m處有一個(gè)可以上下1m~4m高度自由移動(dòng)并且可以在水平與垂直兩個(gè)方向自由切換天線極性的天線塔，接收對(duì)面轉(zhuǎn)臺(tái)上面的產(chǎn)品正常工作時(shí)產(chǎn)生的以電磁波形式通過(guò)空間發(fā)射的場(chǎng)強(qiáng)，再連接到外部的接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量。詳細(xì)如下圖所示：

依據(jù)上述所述，天線是要在垂直于水平兩個(gè)方向接收被測(cè)產(chǎn)品發(fā)射的電磁波，先就天線垂直極化與水平極化的概念、原理做下闡述：

（1）波是什么

在數(shù)學(xué)上，任何一個(gè)沿某一方向運(yùn)動(dòng)的函數(shù)形狀都可以認(rèn)為是一個(gè)波，簡(jiǎn)單的講就是振動(dòng)的傳播。每種波有相應(yīng)的量子，電磁波──光子、引力波──引力子。有些波的傳播需要介質(zhì)，比如聲波等機(jī)械波。有些則不需要介質(zhì)，在真空中也能傳播，如電磁波。除了電磁波和引力波能夠在真空中傳播外，大部分波如機(jī)械波只能在介質(zhì)中傳播。

波在均勻、無(wú)向性的介質(zhì)中傳遞時(shí)，依介質(zhì)的振動(dòng)方向分可以分為兩種形式：

縱波：縱波的特點(diǎn)是介質(zhì)的振動(dòng)方向與傳播方向相同，在縱波中波長(zhǎng)是指相鄰兩個(gè)密部或疏部之間的距離。比如空氣中的聲波、地震波中的P波。

橫波：橫波的特點(diǎn)是介質(zhì)的振動(dòng)方向與傳播方向垂直，橫波也稱(chēng)“凹凸波”，如：電磁波、光波、地震波中的S波。橫波的特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相互垂直。在橫波中突起的部分為波峰，凹下部分叫波谷。其波長(zhǎng)通常是指相鄰兩個(gè)波峰或波谷之間的距離。

（2）波極化（偏振）

人們規(guī)定：電場(chǎng)的方向就是天線極化方向，一般使用的天線為單極化的，其中水平極化和垂直極化為兩種基本的單極化。電磁波與縱波如常見(jiàn)的聲波不同，電磁波是三維的橫波，正是由于其矢量特性，從而產(chǎn)生出極化這一現(xiàn)象。

振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱(chēng)性叫做極化（偏振），其中當(dāng)震動(dòng)方向與傳播方向相互垂直時(shí)，極化值最大。它是橫波區(qū)別于其他縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)志，只有橫波才有極化（偏振）現(xiàn)象。光波是電磁波，因此，光波的傳播方向就是電磁波的傳播方向。光波中的電振動(dòng)矢量E和磁振動(dòng)矢量H都與傳播速度v垂直，因此光波是橫波，它具有偏振性。具有偏振性的光稱(chēng)為為偏振光。極化光是一種比較特殊的電磁波，他的電磁振蕩只發(fā)生在一個(gè)方向上，其他方向的振動(dòng)為0，偏振光分多種，有：圓偏光、橢圓偏振光等。

所有電磁平面波，一般分為直線，圓弧 和橢圓極化波。

（3）、天線的極化（偏振）

天線向周?chē)臻g輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定：電場(chǎng)的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化---是最常用的；水平極化---也是要被用到的。

極化損失：垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來(lái)接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來(lái)接收。右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來(lái)接收，而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來(lái)接收。當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，接收到的信號(hào)都會(huì)變小，也就是說(shuō)，發(fā)生極化損失。例如：當(dāng)用+45° 極化天線接收垂直極化或水平極化波時(shí)，或者，當(dāng)用垂直極化天線接收+45°極化或-45°極化波時(shí)，等等情況下，都要產(chǎn)生極化損失。用圓極化天線接收任一線極化波，或者，用線極化天線接收任一圓極化波，等等情況下，也必然發(fā)生極化損失------只能接收到來(lái)波的一半能量。

極化完全隔離：當(dāng)接收天線的極化方向與來(lái)波的極化方向完全正交時(shí)，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來(lái)波，或用右旋圓極化的接收天線接收左旋圓極化的來(lái)波時(shí)，天線就完全接收不到來(lái)波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱(chēng)極化完全隔離。理想的極化完全隔離是沒(méi)有的。饋送到一種極化的天線中去的信號(hào)多少總會(huì)有那么一點(diǎn)點(diǎn)在另外一種極化的天線中出現(xiàn)。例如下圖所示的雙極化天線中，設(shè)輸入垂直極化天線的功率為10W，結(jié)果在水平極化天線的輸出端測(cè)得的輸出功率為10mW。

綜上所述，結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)歸納：
首先，因?yàn)槲覀儨y(cè)試輻射時(shí)主要考慮的是測(cè)試電場(chǎng)波，也只考慮接收天線在水平與垂直極化兩種方向的極化測(cè)試最大值，即主要考慮測(cè)試的是線極化波。而輻射測(cè)試時(shí)，被測(cè)樣品電源線、信號(hào)線、控制線、殼體、PCB trace、器件本身……都可等效為相應(yīng)的發(fā)射天線，產(chǎn)生不同的極化波，其中一部分主要以線極化波的方式朝向天線塔上面的接收天線。
其次，天線塔上面可垂直與水平方向轉(zhuǎn)換的接收天線，接收EUT被測(cè)產(chǎn)品方向的發(fā)射的線極化波，這里接收天線考量垂直與水平極化方向的最大場(chǎng)強(qiáng)極化值。
所以，其垂直與水平極化兩個(gè)方向測(cè)試數(shù)據(jù)較大的原因如下：

1、EUT本體結(jié)構(gòu)、線纜、端口、PCB、信號(hào)類(lèi)型等的影響，就導(dǎo)致產(chǎn)生出不同的類(lèi)型極化的波，其中不乏分垂直與水平極化方向的波，其中的能量大小異同。而在接收天線上產(chǎn)生的極化損失也就不同，測(cè)試結(jié)果在水平與垂直的測(cè)試數(shù)據(jù)當(dāng)然就不同了。而又因?yàn)?，大部分產(chǎn)品都有AC電源線、控制線纜、外設(shè)等線纜在測(cè)試時(shí)擺放方式、以及結(jié)構(gòu)縫隙，都是垂直于參考地，這樣的極化損失為最小，天線的垂直極化方向測(cè)試值當(dāng)然比較大了。另外，從簡(jiǎn)單的電磁感應(yīng)角度來(lái)想的話，測(cè)試垂直擺放的電線與垂直接收天線的耦合系數(shù)是不是為最大呢？這樣，同樣能證明天線在垂直極化大部分時(shí)候都是比天線在水平極化方向的測(cè)試值要大了。

2、我看過(guò)一份ETS的3142D雙錐周期對(duì)數(shù)天線的校準(zhǔn)證書(shū)，里面的天線Factor只有水平極化方向的數(shù)據(jù)，卻沒(méi)有垂直極化方向的數(shù)據(jù)。我也問(wèn)過(guò)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的人，他們的回答是垂直校準(zhǔn)天線誤差比較大。因?yàn)榇?，我翻看ETS出廠校準(zhǔn)證書(shū)，上面卻有水平與垂直兩種極化方向的Factor。鑒于此，比較好奇為什會(huì)是這樣呢？他說(shuō)的誤差大，應(yīng)該就是天線水平時(shí)，其每根振子都平行于參考地，其中高頻等效分布電容也較天線垂直時(shí)要大了，這樣等效分布電容的增大是不是就會(huì)減小整個(gè)天線對(duì)參考地的阻抗呢？然而，這個(gè)阻抗的減小，從電氣參數(shù)計(jì)算上來(lái)講，即使是在水平與垂直方向相同的場(chǎng)強(qiáng)其電磁感應(yīng)，即天線的極化時(shí)所產(chǎn)生的電壓會(huì)降低？從而使天線在水平極化方向肯定是要比垂直極化方向的測(cè)試值要低了? 正如，在做RS輻射抗饒度測(cè)試時(shí)，若要使EUT待測(cè)產(chǎn)品在水平與垂直方向產(chǎn)生相同3V/m的場(chǎng)強(qiáng)，PA功功率放大器在水平方向設(shè)置的功率要大一些，這樣就更近一步證實(shí)這個(gè)論據(jù)。

3、前面在波的極化說(shuō)了，其中不止有線極化波，還有圓弧和橢圓極化波，在半電波暗室里面，五面雖然有高性能鐵氧體、吸波材料對(duì)此類(lèi)電磁波的吸收
更或者此類(lèi)極化波的極化損失要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線極化波對(duì)于接收天線在水平與垂直極化方向的極化效率，但是也不能完全忽略不計(jì)。再次，不同頻率的電磁波對(duì)于即使是相同的測(cè)試距離R，其中的波阻抗也是不一樣的。

審核編輯黃宇