SS 101 双极化天线基本概念

今天科普一下双极化天线。

定义和概述：

1） 定义

许多无线网上商业公司讨论过用极化分集的方案来代替空间分集的方法。如同空间分集一样，极化分集依靠两个接收端口的“去相关”来达到分集增益。若双极化天线具有两个接收分集端口，并且这些端口所接收的辐射信号在所需要的覆盖区域内以交叉极化的方式工作，如果两个端口收到场强相等，则极化分集的分集增益达到最大。换言之，在一个典型的扇形系统里，两个接收端口必须保持互为交叉极化（即正交），并且能够在前向的120°扇形区域内以及在通信区域内相互跟踪。正交性和跟踪能力相结合是必要的，如果系统采用在极化分集方案中具有先进的组合技术的双极化天线，其性能就如同在水平空间分集方式中采用垂直极化天线。

2）  综述

本教材深入地解释了用于确定双极化天线性能的天线方向图测量技术以及一些用于极化分集方案的天线的独特特性。 

1． 共极化和总功率前后比的测量

叙述倾斜45度的极化分集天线的性能要比叙述垂直极化空间分集天线或具有垂直和水平极化的收收分集端口的极化分集天线要难得多。所以用于确定倾斜45度的双极化天线的性能的天线方向图测量技术也同样地难。测量垂直和水平极化天线的性能的技术是众所周知和很可靠的。当对这些类型的天线进行正确测量的时候，在整个的测试中源（译注：本文中的“源”，实际上都是指“源天线”）的极化和被测天线的极化总是匹配的。这种类型的测量叫做同极化测量。由于源的极化和被测天线的极化匹配，就没有耦合损失出现。

耦合损失（即极化损失因子）是源的极化和被测天线的极化失配的结果。如果在整个的方向图测量的过程中两个天线的极化不匹配，那么天线的参数例如增益，水平波束宽度和前后比就有可能没有精确地在天线的方向图的测量中反映出来。例如采用一个倾斜45度的源和倾斜45度的被测天线，在整个测试过程中源的极化和被测天线的极化并不匹配。因为源的极化和倾斜45度的天线的极化仅仅是在电轴上匹配。这种测量并不是真正的同极化，但是通常被看作为同极化，如图1 所示。

图1 用一个倾斜45度的源对一个倾斜45度的天线进行共极化测量

对于这种用一个倾斜45度源所做的单一的方向图的切割，源天线和被测天线在电轴上是同极化的（见图1的位置A）, 而在背向是交叉极化（见图1的位置B）, 并且在其它地方是变化的非同极化。反过来，采用一个倾斜45度的源对倾斜45度的天线作交叉极化测量也有同样的说法。这样的方向图如图2所示，图中源天线和被测天线在电轴方向是交叉极化（见图2的位置C）, 而在背向是同极化（见图1的位置D）, 并且在其它地方是变化的非同极化。

图2用一个倾斜45度的源对一个倾斜45度的天线进行交叉极化测量 

图1的位置A和图2的位置D的信号强度的差别称为共极化的前后比。如果在B点和D点的功率电平以线性的方式迭加，这就给出在背向的总辐射功率。把这个总辐射功率与图1的位置A的功率作比较，就给出了总的功率前后比。对于这个例子，共极化前后比的测量值是22分贝，而总的功率前后比是近似于20分贝。

2． 交叉极化鉴别率

为了获得最大的分集增益性能，极化分集天线的极化纯度应该尽可能做得高一些。系统的分集增益取决于基站设备所采用的组合方法，而基站设备又反过来依靠两个接收端口的“去相关”要很高。这种“去相关”是用保证一个分集天线的两个分集接收端口彼此高度正交而达到的。正交测量需要在测试过程中把幅度和相位的的测量信息都存储下来。一个更简化的方法来保证正交性是测量高线极化纯度天线的交叉极化鉴别率。

与图1和图2相同的天线方向图也常用于求得倾斜45度的双极化天线的极化纯度和交叉极化鉴别率(XPD)。例如,把图1中的A和图2中的C作比较可以求得在电轴上的XPD为19dB。在30度处的XPD大约为35dB，而在扇形的边缘（60度处），XPD下降到8dB。测量偏离电轴的交叉极化鉴别率也可以称之为极化质量比（PQR）。因为源和被测天线既不是同极化又不是偏轴交叉极化，如果使用放在其他位置的一组正交源天线，那么就可以更加深入地了解偏轴的倾斜45度的天线的极化纯度，而且更重要的是可以更加深入地了解把该天线放在扇形区的边缘的极化纯度。

极化纯度

如果被测天线的极化状态随方位方向的位置改变而变化，那么采用一组具有不同指向的正交源天线，（这些指向在电轴上可能是同极化或者交叉极化的），就可能获得易于理解的结果，也可能不能。这类现象在45度倾斜天线是很常见的，并且经常是关于45度倾斜的极化分集天线的基站天线设计的难题。所以对于某些类型的双极化倾斜45度的天线，采用某些类型的非同极化测量对于迅速确定45度倾斜极化分集天线的与极化有关的波束宽度能提供很多信息。把一组垂直极化和水平极化的源放在不同的位置就可以获得对于倾斜45度天线的极化纯度的大量信息。

对于每个倾斜45度天线端口要用在水平和垂直位置的源多测两个方向图，以便增加对双极化基站天线的性能的了解。把源天线放在水平和垂直位置，在倾斜45度天线上测量两个切面方向图，那么在方向图测量中极化损失的数值将与在电轴上的值以及天线正背向的值一样。换句话说，对于用水平和垂直源天线位置测量得到的天线方向图，由于极化损失而引起的方向图的变化量将小于采用倾斜45度源位置而引起的方向图的变化量。

用水平和垂直源位置测量得到的天线方向图说明在水平平面上的极化的稳定性。从双极化基站天线给出一个倾斜45度的信号，用垂直和水平位置的源测量得出的两个方向图切割的波束宽度是近于相等。所以，对于性能良好的倾斜45度的天线来说，用从垂直源位置，水平源位置和倾斜45度共极化源位置测量所得到的几个水平方向图的形状在前向120度的扇形区域是近似相同的。而且，其他的倾斜45度基站天线的端口对于水平和垂直的源位置以及其他倾斜45度的源位置应该具有相同的天线方向图。

这些非同极化的源位置的测量可以容易地确定倾斜45度天线的极化纯度。如果从水平和垂直的源位置的测量所求得的波束宽度不同，那么具有较宽的水平波束的极化将是具有最强信号的极化，得出在轴的极化是真正的45度。如果对于垂直源位置的方向图切割显示比水平面切割具有较宽的方向图，则天线的极化小于倾斜45度，基站天线的极化事实上在垂直和倾斜45度之间。如果在一个特别的方位角（垂直和水平的源测量位置之间）出现超过6分贝的增益差别，那么这个倾斜45度天线就不能看作是极化分集天线，而是对于该特殊方位角的很差的垂直极化天线。

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