?本文簡(jiǎn)單介紹下移動(dòng)通信為啥要用雙極化天線及其簡(jiǎn)單概述。

什么是極化？

電磁波的極化通常是用其電場(chǎng)矢量的空間指向來(lái)描述：在空間某位置上，沿電磁波的傳播方向看去，其電場(chǎng)矢量方向隨時(shí)間變化所描繪出的軌跡。

天線的極化是以電磁波的極化來(lái)確定的，其定義為：在最大增益方向上，作發(fā)射時(shí)其輻射電磁波的極化，或作接收時(shí)能使天線終端得到最大可用功率的方向入射電磁波的極化。

沿正方向傳播的平面波合成電場(chǎng)的復(fù)數(shù)形式可寫(xiě)作：

乘以時(shí)間因子并 取 其 實(shí) 部 , 可 得 瞬 時(shí) 合 成 電 場(chǎng) 在 處可表示為：

當(dāng)兩個(gè)場(chǎng)分量的相位差為的整數(shù)倍時(shí)，其合成矢量方向的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線。此時(shí)的極化方向?yàn)榫€極化；當(dāng)兩個(gè)場(chǎng)分量的幅度相等，相位差為π/2的奇數(shù)倍時(shí)，其合成矢量方向的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓。此時(shí)的極化方向?yàn)閳A極化；其他情況下，其合成矢量方向的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓。此時(shí)的極化方向?yàn)闄E圓極化。

我們可以通過(guò)以下代碼繪制出動(dòng)態(tài)的極化示意圖：

omega=2*pi*1;

t = 0:0.01:5;

% 水平/垂直分量的電場(chǎng)幅度

E0x=1;E0y=1;

% 水平/垂直分量的電場(chǎng)相位

Phix=0;Phiy=-pi/2;

Ex = E0x*cos(omega*t+Phix);

Ey = E0y*cos(omega*t+Phiy);

z = t;

figure(1);

subplot(121);comet(Ex,Ey);

subplot(122);comet3(Ex,Ey,t);

雙極化 VS 單極化

雙極化天線通常具有兩個(gè)相互正交的極化方向，例如水平極化和垂直極化，或者左旋圓極化和右旋圓極化。雙極化天線與單極化天線相比具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這使得在很多情況下設(shè)計(jì)雙極化天線是必要的，而單極化天線存在一定的局限性。

• 提高頻譜效率：雙極化天線可以同時(shí)在兩個(gè)極化方向上傳輸信號(hào)，相當(dāng)于在相同的頻率資源下增加了一倍的傳輸通道。這大大提高了頻譜效率，尤其在頻譜資源日益緊張的情況下，能夠更有效地利用有限的頻譜資源。例如，在移動(dòng)通信中，采用雙極化天線可以在不增加額外頻譜帶寬的情況下，提高系統(tǒng)的容量和數(shù)據(jù)傳輸速率。

• 改善信號(hào)質(zhì)量：雙極化天線可以減少多徑衰落的影響。多徑衰落是由于信號(hào)在傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)不同的路徑到達(dá)接收端，不同路徑的信號(hào)相互干擾而導(dǎo)致的信號(hào)衰落。雙極化天線利用兩個(gè)不同極化方向的信號(hào)，可以在一定程度上抵消多徑衰落的影響，提高信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性。

• 降低極化失配損耗：在無(wú)線通信中，如果發(fā)射天線和接收天線的極化方向不一致，就會(huì)產(chǎn)生極化失配損耗，降低信號(hào)的接收強(qiáng)度。雙極化天線可以根據(jù)接收端的極化狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整發(fā)射極化方向，減少極化失配損耗，提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

• 提供空間分集增益：空間分集是一種通過(guò)在不同的空間位置上放置多個(gè)天線來(lái)提高通信系統(tǒng)性能的技術(shù)。雙極化天線可以看作是在同一空間位置上放置了兩個(gè)不同極化方向的天線，它們之間具有一定的空間隔離度，可以提供一定的空間分集增益。空間分集增益可以提高通信系統(tǒng)的抗衰落能力和可靠性，降低誤碼率。在無(wú)線通信中，尤其是在移動(dòng)環(huán)境下，信號(hào)的衰落是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，空間分集技術(shù)可以有效地改善信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

雙極化天線的實(shí)現(xiàn)方式

雙極化天線與單極化天線相比，具有更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更高的技術(shù)要求。其中，雙極化天線需要兩個(gè)饋電端口，分別用于激勵(lì)不同極化方向的輻射場(chǎng)。這兩個(gè)饋電端口的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，必須確保它們之間具有足夠高的隔離度，以保證雙極化天線能夠獨(dú)立工作而不相互干擾。如果兩個(gè)端口之間的隔離度不足，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在兩個(gè)極化方向之間產(chǎn)生串?dāng)_，降低天線的輻射效率和接收靈敏度。

• 同軸探針饋電：這是一種常見(jiàn)的饋電方式，通過(guò)將同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體連接到貼片天線的中心，外導(dǎo)體連接到接地平面來(lái)實(shí)現(xiàn)饋電。同軸探針饋電具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但可能會(huì)引入一定的電感和電容，影響天線的性能。

• 微帶線邊緣饋電：微帶線邊緣饋電是將微帶線連接到貼片天線的邊緣來(lái)實(shí)現(xiàn)饋電。這種饋電方式可以減少電感和電容的影響，提高天線的性能。

• 口徑耦合饋電：口徑耦合饋電是通過(guò)在接地平面上開(kāi)一個(gè)口徑，將能量耦合到貼片天線中。這種饋電方式可以實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配和隔離度。

大多數(shù)用于激勵(lì)線極化貼片天線的饋電技術(shù)都可用于設(shè)計(jì)具有雙極化的貼片天線，包括同軸探針饋電、微帶線邊緣饋電和口徑耦合饋電。

傳統(tǒng)的側(cè)饋雙極化貼片天線單元，2單元之間隔離度大致在-20dB~-30dB之間。

有時(shí)候?qū)τ诟訃?yán)苛的隔離度指標(biāo)，我們可以采用如下形式的激勵(lì)布局：

上圖中，L1和L2，L3和L4是兩對(duì)正交極化的激勵(lì)端口。端口L1、L2采用1分2的功分器連接。因?yàn)長(zhǎng)3、L4激勵(lì)方向相反，因此設(shè)計(jì)一個(gè)輸出端口相位差180°的1分2功分器。這樣做的好處是，既保證了陣元之間的同相激勵(lì)，又能讓交叉極化耦合的信號(hào)經(jīng)過(guò)相位差180°的功分器后抵消，進(jìn)一步提高了雙極化激勵(lì)端口之間的隔離度。

雙極化天線作為一種重要的無(wú)線通信技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)合理選擇饋電方式、天線結(jié)構(gòu)和高隔離度技術(shù)，可以設(shè)計(jì)出高性能的雙極化天線。在未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)中，雙極化天線將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，為人們提供更加高效、可靠的通信服務(wù)。

原創(chuàng)作者：94巨蟹座中年