理解與測量圓極化
本頁面透過圖表與說明，旨在幫助您更直觀地理解 圓極化 (CP) 的原理、應用與測量方法。
1. 基礎概念：什麼是圓極化？
電磁波的「極化」是指其電場向量 (E) 在傳播時，其尖端軌跡的形狀與方向。在通訊系統中，除了常見的 線性極化 外， 圓極化 也扮演著關鍵角色，特別是在衛星通訊中。因為 圓極化 波的電場向量會持續旋轉，所以接收與發射天線不需要嚴格對準，大幅簡化了系統操作。
一個完美的 圓極化 波，是由兩個振幅相等、方向正交、且相位差為 90 度的 線性極化 波合成的。根據旋轉方向的不同，可分為「右旋圓極化 (RHCP)」與「左旋圓極化 (LHCP)」。
電場向量軌跡動畫
圓極化的產生方式
方法一：雙埠饋入 (Dual-port Feed)
這是最直接的方式。透過一個 90° 混合耦合器 (Hybrid Coupler)，將輸入訊號分成兩路振幅相等、相位差 90° 的訊號，分別饋入天線的兩個正交埠（例如交叉偶極天線的水平與垂直臂）。這樣可以直接激發出兩個正交的電場分量，合成 圓極化 波。
方法二：單埠饋入與擾動 (Single-port Perturbation)
此方法更為精巧。它利用一個對稱的輻射結構（如方形貼片天線），並在上面引入微小的幾何「擾動」，例如切掉兩個對角。這個擾動會使天線的兩個 簡併模態 (degenerate modes) 分裂成兩個頻率相近的共振點。當使用單一埠在特定位置饋入時，在兩個共振頻率之間，就能剛好產生 90° 相位差，從而輻射出 圓極化 波。
2. 關鍵方程式
圓極化 波可以透過數學式，由兩個正交的 線性極化 分量 \(E_H\) (水平) 和 \(E_V\) (垂直) 來表示。當這兩個分量振幅相等且相位差為 ±90° (\(j\)) 時，即可合成 圓極化 波。
右旋圓極化 (RHCP)
左旋圓極化 (LHCP)
軸比 (Axial Ratio, AR)
在實際應用中，極化通常不是完美的圓形，而是橢圓形。「軸比」是描述這個橢圓長短軸比例的指標，是衡量 圓極化 純度的重要參數。完美的 圓極化 AR 值為 1 (或 0 dB)，而 線性極化 的 AR 值則為無限大。
其中 \(e\) 是交叉極化與同極化功率的比值。
3. 實驗分析：交叉偶極天線
為了實際產生 圓極化 波，本節展示一個在 1.7 GHz 工作的交叉偶極天線範例。此天線的巧妙之處在於，它由兩對長度不等的正交偶極臂組成。較長的臂呈現電感性（相位超前），較短的臂呈現電容性（相位延遲），兩者組合後恰好能產生接近 90 度的相位差，從而輻射出 圓極化 波。
天線性能分析
回波損耗 (Return Loss)
此圖顯示了天線的阻抗匹配情況。我們可以看到由長、短元件各自引發的兩個諧振點，它們在目標頻率 1.7 GHz 附近結合，達成了良好的匹配效果 (回波損耗約 -12.3 dB)。
輻射方向圖
此為本實驗的核心數據。您可以透過下方的按鈕，切換不同的天線擺放方向，並觀察理論預測與實際測量的 RHCP (主極化) 和 LHCP (交叉極化) 功率圖形。理想的 圓極化 天線，其主極化訊號應遠大於交叉極化。
4. 測量技術
要準確測量 圓極化 天線的性能，需要特定的實驗設置。常見的方法是使用一個高純度的 線性極化 喇叭天線作為訊號源，分別在水平 (0°) 和垂直 (90°) 兩個方向上測量待測天線 (AUT) 的響應（包含振幅與相位），再透過前述的方程式 (1) 和 (2) 合成出 RHCP 與 LHCP 的輻射方向圖。
天線場測量設置示意圖
(產生測試訊號)
(置於測試定位器上)
(分析振幅與相位)
5. 關鍵性能指標
核心結論
評估或設計一個 圓極化 (CP) 天線時，不能只看 \(S_{11}\)/VSWR。一個完整且有效的評估，必須同時關注以下幾項關鍵性能參數：
- 軸比 (Axial Ratio, AR): 衡量極化純度，理想值為 0 dB。
- 增益 (Gain): 決定有效輻射能量的強度。
- 交叉極化抑制 (XPD): 衡量對反向極化的隔離能力。
- 輻射效率: 評估能量轉換為電磁波的效率。
- 埠隔離 (Port Isolation): 在多天線系統中，避免天線間的相互干擾。
\(S_{11}\) / VSWR
這是評估「阻抗匹配」與「頻寬」的基本指標。\(S_{11}\) < -10 dB (或 VSWR < 2) 意味著超過 90% 的功率能成功送入天線並輻射出去，而不是被反射回來損壞發射電路。
軸比 (Axial Ratio, AR)
衡量 圓極化「有多圓」的指標。理想的圓形是 0 dB。在實務上，主波束方向上 AR < 3 dB 就可視為良好的 圓極化。衛星或 GPS 等高精度應用則要求 < 1.5 dB。
增益 (Gain) & 輻射效率
增益 代表天線將能量集中往特定方向輻射的能力。效率則指輸入功率有多少比例被成功輻射。一個好的天線設計目標是效率 > 80%，常見小型 CP 天線 增益 約 5–10 dBi。
交叉極化抑制 (XPD)
指天線對其「設計旋向」的訊號靈敏度，高於「相反旋向」訊號的程度。XPD > 15 dB 是較佳的設計目標，能有效避免錯旋向的干擾，確保通訊品質。
埠隔離 (MIMO 應用)
對於有多個天線（例如 MIMO 或雙埠）的系統，此指標衡量天線之間的信號耦合程度。\(S_{21}\) 或隔離度 > 20 dB 能顯著降低天線間的相互干擾。
綜合評估
\(S_{11}\) 保證能量能進去，AR 決定極化品質，而 增益、效率 和 XPD 則完整描述了天線的收發效能。
常見規格書格式 (範例)
| 參數 | 典型目標值 | 測試說明 |
|---|---|---|
| \(S_{11}\) (Return Loss) | ≤ –10 dB (VSWR≤2) | 使用 VNA 50 Ω 匹配，掃描頻段內取最差值 |
| 軸比 (AR) | ≤ 3 dB 於主波束 ±30° | 於無響室或近場系統量測 |
| 峰值增益 | 5–10 dBi (單元) | 3D 遠場方向圖積分或比較法 |
| 輻射效率 | ≥ 80% | 包含導體與介質損耗 |
| XPD / 極化隔離 | ≥ 15 dB | Co-pol vs. Cross-pol 方向圖切割比較 |
| 埠隔離 (MIMO) | ≥ 20–25 dB | \(S_{21}\) 參數測量 |