辐射垂直极化方向与水平极化方向的差异性

经常会有工程师、客户、以及同事聊到测试辐射时，为什么大部分都是接收天线在垂直方向比较差，水平方向却很好呢？很多客户在测试时特别是开关电源客户看一下水平方向的数据确认没有问题后，直接无视水平测试数据，只测试双锥对数周期天线垂直极化方向的数据就好。
       先就辐射测试的基本情况简述一下，在测试辐射时被测产品，放在一个屏蔽的暗室里面的转台上面的0.8m高绝缘桌子上面，此桌子可以360°旋转。另外，在其待测试产品的另外一端3m或者10m处有一个可以上下1m~4m高度自由移动并且可以在水平与垂直两个方向自由切换天线极性的天线塔，接收对面转台上面的产品正常工作时产生的以电磁波形式通过空间发射的场强，再连接到外部的接收机进行测量。详细如下图所示：

依据上述所述，天线是要在垂直于水平两个方向接收被测产品发射的电磁波，先就天线垂直极化与水平极化的概念、原理做下阐述：

（1）波是什么

在数学上，任何一个沿某一方向运动的函数形状都可以认为是一个波，简单的讲就是振动的传播。每种波有相应的量子，电磁波──光子、引力波──引力子。有些波的传播需要介质，比如声波等机械波。有些则不需要介质，在真空中也能传播，如电磁波。除了电磁波和引力波能够在真空中传播外，大部分波如机械波只能在介质中传播。

波在均匀、无向性的介质中传递时，依介质的振动方向分可以分为两种形式：

纵波：纵波的特点是介质的振动方向与传播方向相同，在纵波中波长是指相邻两个密部或疏部之间的距离。比如空气中的声波、地震波中的P波。

横波：横波的特点是介质的振动方向与传播方向垂直，横波也称“凹凸波”，如：电磁波、光波、地震波中的S波。横波的特点是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。在横波中突起的部分为波峰，凹下部分叫波谷。其波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间的距离。

（2）波极化（偏振）

人们规定：电场的方向就是天线极化方向，一般使用的天线为单极化的，其中水平极化和垂直极化为两种基本的单极化。电磁波与纵波如常见的声波不同，电磁波是三维的横波，正是由于其矢量特性，从而产生出极化这一现象。

振动方向对于传播方向的不对称性叫做极化（偏振），其中当震动方向与传播方向相互垂直时，极化值最大。它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志，只有横波才有极化（偏振）现象。光波是电磁波，因此，光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。具有偏振性的光称为为偏振光。极化光是一种比较特殊的电磁波，他的电磁振荡只发生在一个方向上，其他方向的振动为0，偏振光分多种，有：圆偏光、椭圆偏振光等。

所有电磁平面波，一般分为直线，圆弧 和椭圆极化波。

（3）、天线的极化（偏振）

天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化---是最常用的；水平极化---也是要被用到的。

       极化损失：垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收，而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。例如：当用+45° 极化天线接收垂直极化或水平极化波时，或者，当用垂直极化天线接收+45°极化或-45°极化波时，等等情况下，都要产生极化损失。用圆极化天线接收任一线极化波，或者，用线极化天线接收任一圆极化波，等等情况下，也必然发生极化损失------只能接收到来波的一半能量。

       极化完全隔离：当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。理想的极化完全隔离是没有的。馈送到一种极化的天线中去的信号多少总会有那么一点点在另外一种极化的天线中出现。例如下图所示的双极化天线中，设输入垂直极化天线的功率为10W，结果在水平极化天线的输出端测得的输出功率为10mW。

 

       综上所述，结合自己的经验总结归纳：
       首先，因为我们测试辐射时主要考虑的是测试电场波，也只考虑接收天线在水平与垂直极化两种方向的极化测试最大值，即主要考虑测试的是线极化波。而辐射测试时，被测样品电源线、信号线、控制线、壳体、PCB trace、器件本身……都可等效为相应的发射天线，产生不同的极化波，其中一部分主要以线极化波的方式朝向天线塔上面的接收天线。
       其次，天线塔上面可垂直与水平方向转换的接收天线，接收EUT被测产品方向的发射的线极化波，这里接收天线考量垂直与水平极化方向的最大场强极化值。
       所以，其垂直与水平极化两个方向测试数据较大的原因如下：

1、EUT本体结构、线缆、端口、PCB、信号类型等的影响，就导致产生出不同的类型极化的波，其中不乏分垂直与水平极化方向的波，其中的能量大小异同。而在接收天线上产生的极化损失也就不同，测试结果在水平与垂直的测试数据当然就不同了。而又因为，大部分产品都有AC电源线、控制线缆、外设等线缆在测试时摆放方式、以及结构缝隙，都是垂直于参考地，这样的极化损失为最小，天线的垂直极化方向测试值当然比较大了。另外，从简单的电磁感应角度来想的话，测试垂直摆放的电线与垂直接收天线的耦合系数是不是为最大呢？这样，同样能证明天线在垂直极化大部分时候都是比天线在水平极化方向的测试值要大了。

2、我看过一份ETS的3142D双锥周期对数天线的校准证书，里面的天线Factor只有水平极化方向的数据，却没有垂直极化方向的数据。我也问过校准实验室的人，他们的回答是垂直校准天线误差比较大。因为此，我翻看ETS出厂校准证书，上面却有水平与垂直两种极化方向的Factor。鉴于此，比较好奇为什会是这样呢？他说的误差大，应该就是天线水平时，其每根振子都平行于参考地，其中高频等效分布电容也较天线垂直时要大了，这样等效分布电容的增大是不是就会减小整个天线对参考地的阻抗呢？然而，这个阻抗的减小，从电气参数计算上来讲，即使是在水平与垂直方向相同的场强其电磁感应，即天线的极化时所产生的电压会降低？从而使天线在水平极化方向肯定是要比垂直极化方向的测试值要低了? 正如，在做RS辐射抗饶度测试时，若要使EUT待测产品在水平与垂直方向产生相同3V/m的场强，PA功功率放大器在水平方向设置的功率要大一些，这样就更近一步证实这个论据。

3、前面在波的极化说了，其中不止有线极化波，还有圆弧和椭圆极化波，在半电波暗室里面，五面虽然有高性能铁氧体、吸波材料对此类电磁波的吸收
更或者此类极化波的极化损失要远远大于线极化波对于接收天线在水平与垂直极化方向的极化效率，但是也不能完全忽略不计。再次，不同频率的电磁波对于即使是相同的测试距离R，其中的波阻抗也是不一样的。

审核编辑 黄宇