?本文簡單介紹下移動通信為啥要用雙極化天線及其簡單概述。

什么是極化？

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

天線的極化是以電磁波的極化來確定的，其定義為：在最大增益方向上，作發射時其輻射電磁波的極化，或作接收時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的復數形式可寫作：

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

當兩個場分量的相位差為的整數倍時，其合成矢量方向的運動軌跡為直線。此時的極化方向為線極化；當兩個場分量的幅度相等，相位差為π/2的奇數倍時，其合成矢量方向的運動軌跡為圓。此時的極化方向為圓極化；其他情況下，其合成矢量方向的運動軌跡為橢圓。此時的極化方向為橢圓極化。

我們可以通過以下代碼繪制出動態的極化示意圖：

omega=2*pi*1;

t = 0:0.01:5;

% 水平/垂直分量的電場幅度

E0x=1;E0y=1;

% 水平/垂直分量的電場相位

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特的優勢，這使得在很多情況下設計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在兩個極化方向上傳輸信號，相當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，提高系統的容量和數據傳輸速率。

• 改善信號質量：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在傳播過程中經過不同的路徑到達接收端，不同路徑的信號相互干擾而導致的信號衰落。雙極化天線利用兩個不同極化方向的信號，可以在一定程度上抵消多徑衰落的影響，提高信號的穩定性和可靠性。

• 降低極化失配損耗：在無線通信中，如果發射天線和接收天線的極化方向不一致，就會產生極化失配損耗，降低信號的接收強度。雙極化天線可以根據接收端的極化狀態自動調整發射極化方向，減少極化失配損耗，提高信號的傳輸質量。

• 提供空間分集增益：空間分集是一種通過在不同的空間位置上放置多個天線來提高通信系統性能的技術。雙極化天線可以看作是在同一空間位置上放置了兩個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的抗衰落能力和可靠性，降低誤碼率。在無線通信中，尤其是在移動環境下，信號的衰落是一個嚴重的問題，空間分集技術可以有效地改善信號的傳輸質量。

雙極化天線的實現方式

雙極化天線與單極化天線相比，具有更為復雜的結構和更高的技術要求。其中，雙極化天線需要兩個饋電端口，分別用于激勵不同極化方向的輻射場。這兩個饋電端口的設計至關重要，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立工作而不相互干擾。如果兩個端口之間的隔離度不足，會導致信號在兩個極化方向之間產生串擾，降低天線的輻射效率和接收靈敏度。

• 同軸探針饋電：這是一種常見的饋電方式，通過將同軸電纜的內導體連接到貼片天線的中心，外導體連接到接地平面來實現饋電。同軸探針饋電具有結構簡單、易于實現的優點，但可能會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實現饋電。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在接地平面上開一個口徑，將能量耦合到貼片天線中。這種饋電方式可以實現良好的阻抗匹配和隔離度。

大多數用于激勵線極化貼片天線的饋電技術都可用于設計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。

傳統的側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。

有時候對于更加嚴苛的隔離度指標，我們可以采用如下形式的激勵布局：

上圖中，L1和L2，L3和L4是兩對正交極化的激勵端口。端口L1、L2采用1分2的功分器連接。因為L3、L4激勵方向相反，因此設計一個輸出端口相位差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，又能讓交叉極化耦合的信號經過相位差180°的功分器后抵消，進一步提高了雙極化激勵端口之間的隔離度。

雙極化天線作為一種重要的無線通信技術，具有廣泛的應用前景。通過合理選擇饋電方式、天線結構和高隔離度技術，可以設計出高性能的雙極化天線。在未來的無線通信系統中，雙極化天線將繼續發揮重要作用，為人們提供更加高效、可靠的通信服務。

原創作者：94巨蟹座中年