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GNSS天线必须用右旋圆极化吗?

2025-07-18

不必“强制”使用右旋圆极化(RHCP),但在绝大多数GNSS定位场景——尤其是要求可靠、精度高、抗多路径能力强的场合——接收天线设计为RHCP几乎是业界默认做法,因为卫星下行信号本身就是RHCP;极化匹配可减少功率损失,并有助于抑制以左旋分量出现的反射多路径。若采用线极化或左旋圆极化(LHCP)也能收到信号,但需接受性能折扣,或仅在特定目的(如反射测量、成本/体积受限终端)下才这么做。

1. 为什么卫星发射RHCP?

空间中的卫星与地面接收机姿态关系不断变化;若采用线极化(垂直/水平),一旦相对旋转就可能出现深度衰落(20 dB 量级)。圆极化能在姿态变化下保持稳定耦合,从而避免这类衰落。

此外,空间到地面的传播要穿越电离层,法拉第旋转会改变线极化波的取向,引发信号衰落;圆极化对这类旋转不敏感,因此在L波段的卫星导航链路上更可靠。



2. 接收端使用RHCP的直接好处

功率匹配:发射与接收同为RHCP时极化损耗最小,可最大限度捕获本已极微弱(~‑130 dBm 量级)的GNSS信号。

抗多路径:理想光滑表面反射会使RHCP信号部分或全部翻转为LHCP;高质量RHCP天线(良好轴比、较强交叉极化隔离)能抑制这些LHCP分量进入接收链路,从而降低由地面/建筑反射引起的伪距与载波相位偏差。

工程指标可控:RHCP天线的“轴比”(AR)衡量圆极化纯度;AR 越接近 0 dB,圆极化越纯,交叉极化抑制越好,定位数据越干净。许多工程指南将 ≤3 dB 视为常见设计目标,用于确保良好极化效率与多路径抑制。

3. 如果用线极化(Linear / LP)天线会怎样?

线极化天线只能接收到入射圆极化波的一个正交分量,理论上平均损失 3 dB(只能取到总功率的一半);这在微弱信号条件下是宝贵的 3 dB。

同时,线极化对LHCP反射没有天然抑制力——无论是RHCP直达、LHCP反射还是其它偏振混合分量,它都会“一视同仁”地耦合,因而更易受多路径污染;在复杂城市或室内环境中,这常表现为观测噪声增大、载波周跳更多、RTK解算困难。

出于成本、尺寸、集成度与任意持握姿态的考虑,智能手机、芯片级模组、PCB条形天线等消费/物联网终端经常采用线或椭圆极化;厂商工程文档也明确指出:相比RHCP贴片/螺旋,这类方案需接受约‑3 dB 极化损耗及更弱的导航性能,适用于精度要求不高的产品。

4. 如果接收端用LHCP呢?

LHCP接收天线会对来自卫星的RHCP直达波形成强交叉极化抑制(大幅衰减),因此不适合作为常规定位天线;但它恰好可以“挑”出那些在地面或海面反射后翻转成LHCP分量的信号——这正是GNSS反射测量(GNSS‑R)、多路径监测与某些遥感实验所利用的物理特性。

在科研或高端监测中常用双极化(RHCP+LHCP)天线:同时采集两路信号,比较LHCP能量与RHCP主信号,以检测多路径、对观测作权重处理、改进高精度定位或反演地表参数。

5. 如何根据应用选择极化类型?

高精度测绘/基准站/授时:必须 RHCP;优选低轴比(≤3 dB)、良好相位中心稳定、高交叉极化隔离的测地级天线(如扼流圈、堆叠贴片、四螺旋等)。

车载、无人机、测量级流动站:通常 RHCP(贴片或螺旋),在姿态变化场景中仍保持良好耦合并抑制反射。

智能手机 / 超小型 IoT 设备:可用线/椭圆极化(芯片、PIFA、柔性贴片)以节省空间和成本,接受 ~3 dB 损失与更高多路径噪声;如需提升质量可配接外置RHCP有源贴片。

反射遥感 / 多路径监测 / 极化研究:采用 LHCP 或 RHCP+LHCP 双极化阵列,以分离直达与反射分量。

6. 小结

GNSS天线并非绝对必须用RHCP,但由于卫星统一采用RHCP下行,加之姿态独立性与抗电离层旋转优势,在一切重视接收灵敏度、测量精度与抗多路径能力的应用中,RHCP是首选。线极化可用于低成本/超小型设备,但要预期约3 dB功率损失和更差的多路径抑制;LHCP或双极化则是面向反射信号分析、环境遥感和高级多路径监测的专业工具。根据你的具体精度、体积、成本与环境需求做平衡,就是正确的极化选择之道。