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天線極化：這是什麼且重要性何在

作者： Bill Schweber 2022-07-28

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工程

無線通訊

RF 和無線

電子工程師瞭解，天線會以電磁 (EM) 能量波的形式輻射和接收訊號，如馬克士威方程式所示。與許多主題一樣，這些方程式以及電磁傳播和屬性，皆可從相當量化的規格到複雜方程式的眾多層面來進行檢驗。

極化是電磁能量傳播的諸多層面之一，對應用及天線設計來說，會有不同程度的影響或考量。其基本原理適用於所有電磁輻射，包括 RF／無線和光能，並且經常用於光學應用。在本文中，我們只探討 RF。

什麼是天線極化？

瞭解極化就要先從電磁波的基礎知識開始。這些波由單一方向行進的電場和磁場組成。電場和磁場彼此垂直，也垂直於平面波傳播的方向。

極化是指從訊號發射器的角度來看電場的平面：在水平極化上，電場會在水平面上橫向移動，至於垂直極化，電場則會在垂直平面上下振盪 (圖 1)。

圖 1：電磁能量波由彼此成直角的電場和磁場成分組成。(圖片來源： Electronic-Notes)

當發射和接收天線的極化位於同一平面時，發射和接收天線對就可發揮最佳工作效果。當然，就像「在太空中，沒有人能聽到你的尖叫聲」一樣 (沒有不敬，純粹是向 1979 年經典電影《異形》致敬)。但在太空中，確實也沒有水平或垂直之分。儘管如此，極化和天線對齊的概念，對於發揮最大的訊號能量傳輸和擷取來說仍然有效。

線性和圓極化

極化模式分為幾種：

• 在基本線性極化中，兩種可能的極化會彼此正交 (直角) (圖 2)。理論上來說，具有水平極化的接收天線不會「看到」來自垂直極化的接收天線的訊號，反之亦然，即使兩者以相同的頻率工作也是如此。彼此若更緊密對齊，擷取的訊號就越多，當極化匹配時，就會達到最大的能量轉移。

圖 2：線性極化提供了兩種彼此成直角的極化選擇。(圖片來源： Mimosa Networks, Inc.)

• 天線的傾斜極化是線性極化的衍生。與基本的水平和垂直極化一樣，只在地面環境中才有意義。傾斜極化與水平參考平面呈 ±45 度。雖然這實際上只是線性極化的另一種形式，但線性這個術語通常僅指水平或垂直極化的天線。

傾斜天線發送 (或接收) 的訊號可以搭配純水平或純垂直的極化天線一起使用，但有一些損耗。當一個或兩個天線的極化未知或在使用過程中發生變化時，傾斜極化天線就派的上用場。

• 圓極化 (CP) 比線性極化更複雜。在此模式下，由電場向量表示的極化會隨著訊號的傳播而旋轉。向右旋轉時，從發射器向外看，極化稱為右旋圓極化 (RHCP)；向左旋轉時，則稱為左旋圓極化 (LHCP) (圖3)。

圖 3：在圓極化中，電磁波的電場向量會旋轉；這種旋轉可以是右旋或左旋。(圖片來源： JEM Engineering)

CP 訊號由兩個反相的正交波組成。要建立此訊號需要三個條件。電場必須有兩個正交成分；必須反相 90 度，並且具有相等的幅度。建立 CP 有個簡單的方法就是使用螺旋天線。

• 橢圓極化 (EP) 是 CP 的衍生。橢圓極化波是由兩個線性極化波 (如 CP 波) 產生的增益。當兩個具有不等幅的相互垂直線性極化波組合在一起時，就會產生橢圓極化波。

天線之間的極化失配，特徵在於極化損耗 (PLF)。參數以分貝 (dB) 表示，是發射天線和接收天線之間極化角差的函數。從理論上講，PLF 的範圍可以從完美對齊天線的 0 dB (無損耗)，到完美正交天線的無限 dB (無限損耗)。

然而，在實踐中，極化的對齊 (或未對齊) 並不完美，因為天線的機械位置、使用者動作、通道失真、多路徑反射和其他現象，都會導致發射電磁場的一些角度扭曲。一開始，正交極化可能有 10 至 30 dB 或更高的訊號交叉極化「洩漏」，這可能足以在某些情況下干擾所需的訊號恢復。

相反地，理想極化且對齊的天線，實際的PLF 可能達 10、20 或更高 (取決於具體情況)，而會阻礙訊號恢復。換句話說，意外的交叉極化和 PLF 有好有壞，可能會干擾所需訊號，或降低所需訊號的強度。

為什麼要注意極化？

極化有兩種工作方式：兩根天線對齊得越緊密，且具有相同的極化，接收的訊號強度就越好。相反地，對齊不良的極化會導致預期或不想要的接收器更難擷取足夠的有用訊號。在許多情況下，「通道」會讓發射的極化失真，或者有一或兩個天線並未處於固定的靜止方向。

選擇使用哪種極化，通常取決於安裝或環境條件。例如，水平極化天線安裝在天花板附近時可發揮更好的效能並維持其極化；相比之下，垂直極化天線則在靠近側邊牆面時，可表現出更接近標稱值的極化效能。

廣泛使用的雙極天線 (一般或摺疊式) 在其「正常」安裝方向上可達到水平極化 (圖 4)，若有必要，或是要支援偏好的極化模式時，通常會旋轉 90 度，以呈現垂直極化 (圖5)。

圖 4：雙極天線通常水平安裝在桅杆上以提供水平極化。(圖片來源： KAC Radio)

圖 5：對於需要垂直極化的應用，雙極天線可以對應安裝在桅杆上。(圖片來源： Progressive Concepts)

垂直極化通常用於手持式行動無線電，例如急救員使用的無線電，因為許多垂直極化無線電的天線設計也提供全向輻射模式。因此，即使無線電和天線方向發生變化，這些天線也不必重新定向。

用於 3 至 30 MHz 高頻 (HF) 頻段的天線，在構造上通常是在支架之間水平串起簡易的長電線構成。這個長度由波長決定 (10 至 100 m)。這些天線當然是水平極化。

有趣的是，此頻段的「高頻」名稱是在幾十年前命名的，在當時 30 MHz 確實算是高頻率。雖然這種特性現在來看似乎已經過時，但仍是國際電信聯盟的官方名稱，因此仍然廣泛使用。

偏好的極化也可取決於中波 (300 kHz 至 3 MHz) (MW) 頻段的廣播者是使用地波進行更強的近距離訊號傳播，還是使用電離層的天波來提供遠距鏈路。一般來說，垂直極化天線的地波傳播效果更好，而水平極化天線的天波傳播效果較好。

圓極化通常會搭配衛星一起使用，這是因為天線與地面站和其他衛星的方向不斷改變。當發射與接收天線兩者都圓極化時，兩個天線之間可達到最大效率，但是線性極化天線可以搭配 CP 天線使用，且有一些極化損耗因數。

極化對 5G 系統也很重要。有些 5G 多輸入／多輸出 (MIMO) 天線陣列會透過極化，更有效地利用可用頻譜，藉此提高輸送量。這是合併運用天線的不同訊號極化以及空間多工 (空間分集) 來達成。

此系統可以傳輸兩個數據流，因為連接到具有正交極化的獨立天線，因此可以獨立恢復。即使礙於路徑和通道失真、反射、多路徑和其他缺陷而發生一些交叉極化，接收器上的複雜演算法仍然可以恢復每個原始訊號，以達到低位元錯誤率 (BER)，進而提高頻譜利用率。

標準天線提供極化選項

大家很容易認為，極化只是大型桅杆安裝、高度可見的天線的問題，但事實並非如此。舉例而言，PCTel BOAH515905NM 是一款水平極化 Wi-Fi 天線，可在 5.1 GHz 至 5.9 GHz 範圍內使用，主要用於戶外 802.11ac 存取點 (圖 6)。

圖 6：PCTel 的 BOAH515905NM 水平極化 Wi-Fi 天線是針對 5.1 GHz 至 5.9 GHz (802.11 ac) Wi-Fi 連線提供戶外存取點。(圖片來源：PCTel)

此完全密封的 IP67 等級天線，安裝在白色、紫外線 (UV) 穩定、堅固耐用的塑膠天線罩中，其中含有一個一體式 N 型面板安裝連接器 (提供公頭和母頭版本)。尺寸為外徑 1.26 in x 長 6.32 in (3.20 x 16.1 cm)，提供 5 dBi 標稱增益，並且在指定頻段上的電壓駐波比 (VSWR) 低於 2:1。

極化也可以設計成更小的天線。Taoglas PC140.07.0100A 是一款圓極化 2.45 GHz (標稱) 天線，適用於工業、科學和醫療 (ISM)、藍牙和 Wi-Fi 應用 (圖 7)。

圖 7：Taoglas 的這款微型 PC140.07.0100A 天線設計，可嵌入到系統電路板旁邊的外殼中。(圖片來源：Taoglas)