电磁波基础：电磁波特性、极化与传播方式

2.1 电磁波的核心物理特性

天线辐射与接收的物理对象是电磁波。理解电磁波的基本特性，是后续分析天线方向性、增益与阻抗匹配的前提。电磁波由时变电场 E 与磁场 H 相互激发而产生，在自由空间中两者始终同相、相互垂直，且都垂直于传播方向 k，构成右手正交关系。

描述电磁波的核心参数包括：

• 频率 f 与波长 λ：满足 λ = c / f（真空中 c ≈ 3×10⁸ m/s）。天线尺寸通常以波长倍数表示，例如半波偶极子长度约为 0.5λ。
• 波阻抗：自由空间波阻抗 η₀ ≈ 377 Ω，是电场幅度与磁场幅度的比值，决定天线与自由空间的匹配目标。
• 相速度与群速度：相速度描述等相位面移动速度，群速度描述能量包络传播速度。在普通介质中两者方向一致，但在色散介质中可能分离。
• 坡印廷矢量 S = E × H：表示单位面积上的功率流密度，方向即电磁波传播方向，是天线辐射功率计算的起点。

2.2 极化：天线与波的“方向契约”

极化描述了电场矢量在空间中的指向随时间变化的轨迹。它是天线设计中极易被忽视、却对链路质量影响巨大的参数。若发射天线与接收天线极化不匹配，将直接产生极化失配损耗。

按电场矢量末端轨迹，极化可分为三类：

工程上常用轴比（AR）衡量极化纯度：AR = 1（0 dB）为理想圆极化，AR → ∞ 为线极化。圆极化天线通常要求轴比小于 3 dB。极化失配损耗可由下式估算：

极化失配损耗 PLF = |cos(Δθ)|²   （线极化对线极化，Δθ 为极化夹角）
圆极化对线极化：PLF = 1/2（即 -3 dB 损耗）

2.3 电磁波的传播方式与路径损耗

电磁波从发射天线到接收天线，根据传播环境与频率不同，主要经历以下四种基本传播机制：

1. 自由空间传播：能量按球面波扩散，接收功率与距离平方成反比。弗里斯传输公式给出理想链路预算：P_r = P_t · G_t · G_r · (λ/4πd)²。
2. 地面反射传播：电波经地面反射后与直射波在接收点叠加，产生干涉。两径模型下，接收功率在远区近似与 d⁴ 成反比，衰减远快于自由空间。
3. 绕射传播：当电波遇到障碍物边缘（如山脊、建筑物角）时发生绕射，使信号能到达阴影区。刃峰绕射模型常用于估算绕射损耗。
4. 散射传播：电波遇到粗糙表面或尺寸小于波长的物体（如树叶、雨滴）时发生漫反射，形成多径分量。

在实际无线信道中，上述机制往往同时存在。接收信号是直射波与多条反射、绕射、散射路径的矢量叠加，导致多径衰落——接收幅度随位置或时间快速起伏。描述这种衰落常用瑞利分布（无直射分量）或莱斯分布（存在主导直射分量）。

2.4 传播方式对天线设计的约束

不同的传播方式对天线参数提出了差异化要求，天线设计必须与传播场景匹配：

• 自由空间/点对点微波链路：要求高增益、窄波束天线（如抛物面天线），极化方式通常为线极化，收发两端需严格对准并保持极化一致。
• 地面反射主导的移动通信：基站天线通常采用垂直极化、半功率波束宽度约 65°（水平）× 6°～10°（垂直）的面板天线，利用波束下倾覆盖小区。
• 多径丰富的室内环境：天线极化方向会因反射而随机化，宜采用双极化天线（±45°）或圆极化天线以收集更多能量，减少极化失配。
• 卫星通信：由于卫星姿态变化与电离层法拉第旋转效应，通常采用圆极化天线，避免极化方向旋转导致的信号周期性衰落。