天线的垂直极化和水平极化是两种不同的电场矢量方向，它们在实际应用中各有优缺点。
一、 天线的垂直极化和水平极化简介
1. 定义与特征：
- 垂直极化（Vertical Polarization） ：当电场矢量在yz平面上振动时，从z轴往xy平面上投影，形成一条与y轴重合的短线。这种极化的天线通常用于电视、电台和移动通信系统中的基站，因为其在水平面上传输距离更远且相对稳定。
- 水平极化（Horizontal Polarization） ：当电场矢量在xz平面上振动时，从z轴往xy平面上投影，形成一条与x轴重合的短线。这种极化的天线适用于卫星向地面发射信号的情况，因为其无线电波的振动方向是水平方向。
2. 应用场景：
- 垂直极化：由于其对飞机干扰较小，并且在100MHz以下频率下对水下传输效率更高，因此常用于广播系统和移动通信。
- 水平极化：不易受到人造电磁干扰的影响，在密集森林或树林环境下表现较佳，且不易出现驻波效应。此外，水平极化天线在高频下更受欢迎，对建筑物或电线的吸收较少。
3. 优缺点对比：
- 垂直极化：可以减少VHF和UHF强度的干扰，适合移动设备的方向变化，提供全向辐射模式。
- 水平极化：更适合城市地区，因为它不受垂直极化干扰的影响，具有双向性，可以减少来自某些方向的干扰。
4. 理论基础：
在CST-MWS中，通过ludwig3坐标系可以选择对应的水平极化分量和垂直极化分量进行分析。
垂直极化和水平极化的定义也与电场方向在不同平面上的投影有关，如在xz平面上的电场方向对应水平极化，在yz平面上的电场方向对应垂直极化。
垂直极化和水平极化的主要区别在于电场矢量的运动轨迹和对应的参考面。选择哪种极化方式取决于具体的应用需求和环境条件。
二、 垂直极化和水平极化在天线设计中的具体应用案例
在天线设计中，垂直极化和水平极化有着广泛的应用。以下是具体的案例：
这种天线利用HFSS12软件进行仿真，其极化方式为垂直极化，在2～13GHz的工作频段内电压驻波比小于2.增益最高达11dB，具备良好的定向性。
设计了宽带双频正交极化微带阵列天线，其中垂直极化在10.7—13.33 GHz频率范围内小于-10 dB，相对阻抗带宽达21.04%，覆盖卫星通信接收频段：12.25～12.75 GHz;水平极化在12.4—16.37 GHz频率范围内小于-10 dB，相对阻抗带宽达27.86%，覆盖卫星通信发射频段：14～14.5 GHz。
该天线采用两组正交的对称振子作为馈源，分别作±45°配置，实现垂直极化和水平极化。通过极化分集技术，可以克服多径效应引起的信号衰落，并获得最大的信噪比收益。
提出了一种宽带双极化槽天线，用于无线通信。水平极化由带状线耦合槽激发，垂直极化则由阶跃单极子供电。该设计在整个频段内获得了较宽的带宽(1.70–2.71 GHz)和较高的隔离度(>33 dB)，且双极化增益也得到了测量和讨论。
三、 如何根据不同的应用场景选择天线的极化方式?
选择天线的极化方式需要根据不同的应用场景来决定，以下是几种常见场景及其对应的极化方式：
在大多数通信和雷达系统中，通常采用线极化天线。这是因为线极化天线在这些应用中能够提供较好的方向性和增益性能。
圆极化天线适用于电子对抗和侦察设备，以及处于剧烈摆动和高速旋转状态的飞行器等。这是因为圆极化天线可以有效应对多径信号反射问题，从而提高接收质量。
针对无线局域网系统，设计了多种多频段印刷天线，以满足不同频段的需求，并通过优化极化方式实现更好的覆盖和性能。
在卫星通信中，选择正确的天线极化方式至关重要。例如，在直接视距(LOS)通信中，如果天线两端的极化方向相同，则信号传输效果最佳。此外，HF通信由于电离层的影响可能导致极化损失，因此需要考虑天线与地球的相对位置来确定极化方向。
极化类型的选择还可能受到所在国家或地区的法规影响。例如，在美国和拉丁美洲，圆极化更受欢迎，而在其他地区则可能使用垂直极化或水平极化。
对于一些特殊应用，如需要极化多样化的场合，可以采用可重构的挖槽天线。这种天线可以通过改变工作状态实现多种极化状态，并保持优异的辐射性能。
四、 垂直极化和水平极化对天线性能的影响
垂直极化和水平极化对天线性能的影响有显著差异，具体如下：
1. 传播路径与信号衰减：
垂直极化的天线在有限的高度下能够提供更强的接收信号，特别适用于车辆安装。这是因为垂直极化方式不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。
相比之下，水平极化在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，由于受大地阻抗影响，会迅速产生热能而使电场信号迅速衰减。
2. 频率适用性：
在50MHz以下的频率上，垂直极化优于水平极化。这表明在较低频率范围内，垂直极化的天线性能更好。
3. 环境适应性：
当天线靠近稠密森林时，水平极化波的损耗较小。这意味着在复杂环境中，水平极化可能更有效。
垂直极化辐射对飞机飞越传输路径的影响较小，而水平极化则会受到反射的影响。这说明在某些特定应用场景中，垂直极化具有优势。
4. 应用实例：
圆极化(即垂直和水平极化的等幅度组合)在卫星和卫星终端中得到广泛应用，因为其能够在不同方向上实现较好的通信效果。
在移动通信网络优化中，通常采用±45°极化方式，因为这种方式综合了垂直和水平极化的优点，性能上一般优于单一极化方式。
垂直极化和水平极化各有优劣，选择哪种极化方式取决于具体的使用场景和需求。例如，在需要强信号且高度有限的环境中，垂直极化是更好的选择;
五、 天线极化的技术研究发展?
近年来，天线极化技术的发展主要集中在以下几个方面：
最新的研究提出了一种具有高极化转换率的超宽带极化转换表面。该结构单元由覆盖在介质基板上的对称变形L形金属片构成，能够在10.6～27.5GHz频率范围内实现90%以上的极化转换率。这种结构通过将棋盘形式排列在缝隙天线四周，实现了反射波的相消干涉，从而显著降低了天线的雷达散射截面(RCS)，并且提高了天线的增益。
针对单极化相控阵雷达在目标探测中的限制，研究人员提出了基于双极化共形阵列的波束形成算法。这种算法能够满足柔性化阵列的实时形变需求，增强极化测量能力，从而提升目标识别和干扰抑制能力。
另一项重要进展是开发了一种用于无线通信系统的双极化磁电偶极子天线。该天线采用缝隙耦合馈电方式，并基于介质集成同轴线结构实现馈电网络，以减小传输线之间的耦合并提高不同极化端口的隔离度。其电气性能优异，在2.11~2.67 GHz频率范围内阻抗匹配良好，两个不同极化端口之间的隔离度达到30 dB以上，稳定增益大于9.5 dBi，交叉极化小于-22 dB，前后比大于25 dB。
