由流线、IOT和实时应用驱动的高速无线连接需求的加速对频谱效率和数据吞吐量造成了前所未有的压力。 双极化天线阵列已成为应对这些挑战的关键技术,通过利用正极化状态,使同一频段的平行数据流得以实现。 本条探讨了双极化天线阵列的原则、设计考虑、性能优势和未来轨迹,为从事下一代无线系统的工程师和系统设计师提供了全面的资源。

理解双重振荡天线

双极化天线能够同时传递和接收两个正极化方向的电磁波,常见的极化基对包括垂直/横向(V/H)和±45°斜线. 天线通过将这两个状态隔离,可以在相同的物理孔径和频率分配上支持两个独立的通信通道,比单极化系统有效提高光谱效率一倍.

多样性基本原理

极化多样性依赖于一个事实,即正极化信号大多经历独立的消散和干扰环境。 在多路径丰富的情景中,纵向极化波可能会减弱,而横向极化波则依然强劲。 通过在接收器上将两分支结合,双极化天线提供了强大的信号质量和消散的适应能力。 这种多样化收益在反射丰富的城市峡谷和室内环境中特别宝贵。

双聚天线元素类型

  • 十字-双管(曲折)天线:[] 双双双管按右角排列;一种提供宽带宽和干净正交图案的经典设计.
  • 具有双重种子的夹板天线:[]正交边缘或带有H形槽的平方或圆形补丁兴奋;紧凑且适合阵列.
  • 孔隙-对接的补丁:[ 地面平面后方的饲料线,利用耦合槽,以高隔离力激化两个极化.
  • Waveguide-feed 阵列:[]用于大功率或毫米波系统,常用塞普图极化器分离极化.

每种元素类型都呈现带宽、大小、隔离和制造成本的权衡。 现代设计越来越多地利用多层多氯联苯工艺,将双极化元素与束状电路融合。

通过双聚变阵列增强数据流量

部署双极化阵列的主要动机是数据吞吐量的大幅增加,而无需消耗额外的频谱,这是通过两个互补机制实现的:两极分化-域多功能化和增强的MIMO(多产出多输出)性能.

极化- 域多功能

通过将两对正极化作为独立的空间流,双极化系统可以在有利的通道条件下将单极化连接的数据率增加一倍,例如,在点对点的回程系统中,双极化天线对可以支持两对同时100Mbps流,在同一20MHz通道中产生200Mbps的吞吐量. 实际执行必须计入跨极化干扰(XPI),这种干扰可以限制可实现的分离. 高性能阵列争取在两极化端之间达到30dB以上的隔离值.

双聚变的MIMO和空间多聚体

在MIMO系统中,双极化阵列提供了一种紧凑的方法,可以增加独立空间通道的数量,而不会按比例增加物理大小. 使用两个双极化天线元件(四个总端口)的2×2MIMO系统可以支撑多达四个空间流,而一个同样物理大小的单极化阵列则需要两倍于元素的数量才能实现相同的流数,这使得双极化阵列对空间受限的基站和用户设备特别有吸引力. 研究显示,双极化的大规模MIMO阵列可以接近理想的全阶通道容量,同时保持元素之间的可控交叉连接.

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设计挑战和缓解战略

发展高性能双极化阵列涉及克服若干技术障碍,这些障碍可降低孤立、效率和完整性。

跨波拉化隔离(XPI)

两个两极化端口之间的隔离是最关键的参数. 隔离性差会导致溪流之间的渗漏(交叉对话),降低有效的SNR和限制调序. 典型的设计规则包括保持港到港隔离 > 25 dB,高序QAM方案需要30–40 dB. 改善隔离性的战略包括:

  • 优化配种与巴仑和90°杂交的供餐网络,取消互联.
  • 双极化元素之间的电磁带(EBG)结构,以压制表面波.
  • 隔断常见模式电流,增加隔离的地面结构(DGS).

相互交错和模式退化

在数组配置中,元素之间的相互耦合可以改变辐射模式和每个元素的有效两极化纯度。在宽扫描角度上,这一点尤其成问题。使用中性线、基于插槽的脱钩器或近场共振器阵列等技术可以缓解耦合。 机器学习驱动优化的最新进展使得脱钩结构的自动化设计能够实现10-15 dB的隔离改进,而不会牺牲带宽。

带宽和障碍匹配

双极化阵列元素的阻力带宽往往比单极化的对等元素更窄,因为需要输入两种正交模式。 宽带设计采用堆叠的补丁、孔径与多个插槽的耦合或电离共振天线(DRAs ) 。 对于3.5-5.0GHz范围内的5G NR带,15-25 % 的分带宽可以用仔细的多共振技术实现。

校准和阵列

在实际阵列中,制造耐受性和环境因素造成极化通道之间的不平衡. 强力校准算法是使阵列的振幅和相位反应对齐的必要条件. 使用内置测试对等器或相互配合方法的超空校准,对于手动调制不可行的大型MIMO系统,越来越多地被采用.

下一代系统高级架构

双极化阵列正在从简单的2×2系统向大规模MIMO、毫米波和可再配置的智能表面的组成部分发展。

具有双重极化的大型MIMO

在5G及以外,基站采用大阵列(如64×64双极化元素)来支持高度定向束和空间多极化. 双极化计划允许每个物理元素服务于两个虚拟天线端口,使数字束化的自由度翻一番. 这种配置使得在同一时频资源上同时向多个用户传输极化域分离,研究表明32×32双极化阵列可以接近64×64单极化阵列的能力,同时占据了物理足迹的一半——塔山和小细胞装置的关键优势.

毫米波长双斜方阵列

在频率超过24 GHz时,波长会缩小,允许小面积的大量元素. 双极化的mmWave阵列由于Ohmic损失增加,制造耐受度更紧,对包寄生体的敏感度也都带来了独特的挑战. 底部集成波导(SIW)技术和低温共燃陶瓷(LTCC)工艺通常用于实现紧凑,高同位化的双极散热器. 例如,28 GHz波段的2×2双极化的SIW槽阵列可以在港口之间隔绝超过35 dB的情况下实现20 dB 增益.

与Beamforming ICs的整合

现代双极化阵列与RF束形芯片共同设计,其中包含每个极化的相位移子和减震器,系统必须处理两个信号路径之间的skew和交叉对接,高级包将天线阵列和束形IC嵌入同一对接器上,减少互联损失,并实现实时的极化重组.

可重配置的双极化

未来的无线网络可能需要动态的极化敏捷性——即能够每兆位基础上切换或不断调整极化状态(例如从线性到循环,或不同斜角之间),这可以通过PIN二极管,变异器,或MEMS交换机整合到饲料结构中来实现. 例如,可重新配置的双极化补丁天线可以在V/H和±45°的极化对对子之间切换,适应瞬间通道条件以达到最大吞吐量或减少干扰.

结论

双极化天线阵列是满足对高无线数据吞吐量的无厌需求的基石技术。通过两极化-域内多聚和赋能式强力配置,这些阵列已经是4G/5G基站、mmWave backhaul和卫星通信的组成部分。 正在进行的先进脱钩技术、宽带元件设计和两极化-重配置结构的研究确保双极化阵列将继续处于无线创新的最前沿。随着工业向6G和次特莱赫兹频率发展,双极化在实现极端数据速率方面的作用——可能超过100Gbps-不能被夸大。工程师和系统设计师应继续投资于精细的模拟工具、新材料和校准方法,以释放这种成熟但快速流动的技术的全部潜力。

进一步阅读时,请参考IEEE关于天线极化的标准(]IEEE 天线标准),关于双极化的MIMO系统的全面调查(),5G的双极化天线星系的勘测),以及毫米沃夫阵列的最新设计准则(mmWave双极化阵列设计).