移动通信为啥要用双极化天线？

❝本文简单介绍下移动通信为啥要用双极化天线及其简单概述。

什么是极化？

电磁波的极化通常是用其电场矢量的空间指向来描述：在空间某位置上，沿电磁波的传播方向看去，其电场矢量方向随时间变化所描绘出的轨迹。

天线的极化是以电磁波的极化来确定的，其定义为：在最大增益方向上，作发射时其辐射电磁波的极化，或作接收时能使天线终端得到最大可用功率的方向入射电磁波的极化。

沿正方向传播的平面波合成电场的复数形式可写作：

乘以时间因子并 取 其 实 部 , 可 得 瞬 时 合 成 电 场 在 处可表示为：

当两个场分量的相位差为的整数倍时，其合成矢量方向的运动轨迹为直线。此时的极化方向为线极化；当两个场分量的幅度相等，相位差为π/2的奇数倍时，其合成矢量方向的运动轨迹为圆。此时的极化方向为圆极化；其他情况下，其合成矢量方向的运动轨迹为椭圆。此时的极化方向为椭圆极化。

我们可以通过以下代码绘制出动态的极化示意图：

omega=2*pi*1;

t = 0:0.01:5;

% 水平/垂直分量的电场幅度

E0x=1;E0y=1;

% 水平/垂直分量的电场相位

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);

双极化 VS 单极化

双极化天线通常具有两个相互正交的极化方向，例如水平极化和垂直极化，或者左旋圆极化和右旋圆极化。双极化天线与单极化天线相比具有一些独特的优势，这使得在很多情况下设计双极化天线是必要的，而单极化天线存在一定的局限性。

• 提高频谱效率：双极化天线可以同时在两个极化方向上传输信号，相当于在相同的频率资源下增加了一倍的传输通道。这大大提高了频谱效率，尤其在频谱资源日益紧张的情况下，能够更有效地利用有限的频谱资源。例如，在移动通信中，采用双极化天线可以在不增加额外频谱带宽的情况下，提高系统的容量和数据传输速率。

• 改善信号质量：双极化天线可以减少多径衰落的影响。多径衰落是由于信号在传播过程中经过不同的路径到达接收端，不同路径的信号相互干扰而导致的信号衰落。双极化天线利用两个不同极化方向的信号，可以在一定程度上抵消多径衰落的影响，提高信号的稳定性和可靠性。

• 降低极化失配损耗：在无线通信中，如果发射天线和接收天线的极化方向不一致，就会产生极化失配损耗，降低信号的接收强度。双极化天线可以根据接收端的极化状态自动调整发射极化方向，减少极化失配损耗，提高信号的传输质量。

• 提供空间分集增益：空间分集是一种通过在不同的空间位置上放置多个天线来提高通信系统性能的技术。双极化天线可以看作是在同一空间位置上放置了两个不同极化方向的天线，它们之间具有一定的空间隔离度，可以提供一定的空间分集增益。空间分集增益可以提高通信系统的抗衰落能力和可靠性，降低误码率。在无线通信中，尤其是在移动环境下，信号的衰落是一个严重的问题，空间分集技术可以有效地改善信号的传输质量。

双极化天线的实现方式

双极化天线与单极化天线相比，具有更为复杂的结构和更高的技术要求。其中，双极化天线需要两个馈电端口，分别用于激励不同极化方向的辐射场。这两个馈电端口的设计至关重要，必须确保它们之间具有足够高的隔离度，以保证双极化天线能够独立工作而不相互干扰。如果两个端口之间的隔离度不足，会导致信号在两个极化方向之间产生串扰，降低天线的辐射效率和接收灵敏度。

• 同轴探针馈电：这是一种常见的馈电方式，通过将同轴电缆的内导体连接到贴片天线的中心，外导体连接到接地平面来实现馈电。同轴探针馈电具有结构简单、易于实现的优点，但可能会引入一定的电感和电容，影响天线的性能。

• 微带线边缘馈电：微带线边缘馈电是将微带线连接到贴片天线的边缘来实现馈电。这种馈电方式可以减少电感和电容的影响，提高天线的性能。

• 口径耦合馈电：口径耦合馈电是通过在接地平面上开一个口径，将能量耦合到贴片天线中。这种馈电方式可以实现良好的阻抗匹配和隔离度。

大多数用于激励线极化贴片天线的馈电技术都可用于设计具有双极化的贴片天线，包括同轴探针馈电、微带线边缘馈电和口径耦合馈电。

传统的侧馈双极化贴片天线单元，2单元之间隔离度大致在-20dB~-30dB之间。

有时候对于更加严苛的隔离度指标，我们可以采用如下形式的激励布局：

上图中，L1和L2，L3和L4是两对正交极化的激励端口。端口L1、L2采用1分2的功分器连接。因为L3、L4激励方向相反，因此设计一个输出端口相位差180°的1分2功分器。这样做的好处是，既保证了阵元之间的同相激励，又能让交叉极化耦合的信号经过相位差180°的功分器后抵消，进一步提高了双极化激励端口之间的隔离度。

双极化天线作为一种重要的无线通信技术，具有广泛的应用前景。通过合理选择馈电方式、天线结构和高隔离度技术，可以设计出高性能的双极化天线。在未来的无线通信系统中，双极化天线将继续发挥重要作用，为人们提供更加高效、可靠的通信服务。

原创作者：94巨蟹座中年