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高隔离度双极化天线辐射阵面
移动通信和雷达产业对双极化天线不断提升的性能要求和迫切需求吸引着国内外诸多科研机构，近年来涌现出各种有针对性的双极化设计方案。
一、设计方案
双极化一般指两种相互正交的极化。分别经两组端口馈电能辐射出两种正交极化信号的天线即所谓双极化天线。双极化天线之所以广泛引起国内外机构的研究兴趣，是因为其双端口正交极化辐射能力可在无线通信过程中形成多条独立信道，从而明显缓解单信道通信时不可预料的信号衰落，同时成倍扩展总通信容量。除去双端口正交极化辐射能力这一核心属性不变，双极化天线根据辐射方向不同可分为全向双极化天线和定向双极化天线；理论上根据极化类型不同还可以分为双线极化、双圆极化及双椭圆极化天线。但是鉴于双极化天线一般更倾向于选择定向双线极化，本项目主要关注双线极化天线，论文其他各部分所提双极化如无特指亦皆默认为双线极化。既是双线极化必然涉及极化方向。
图1-1 (a)水平垂直双极化示意图(b) ±45◦双极化示意图
（一）交叉极化电平
双极化天线工作过程中根据被激励端口定义了主极化与交叉极化，主极化代指被激励端口理论上应当产生的目标极化，与该目标极化正交的极化即为交叉极化。因此，主极化与交叉极化的定义实际上是随被激励端口不同而流动的。另外，为衡量双极化天线辐射的信号极化纯度，有交叉极化电平(XPL，Cross Polarization Level) 这一概念。交叉极化电平为辐射信号在主极化方向上的功率分量与在交叉极化方向功率分量的比值，一般取其对数形式，具体形式定义如下：
(1-1)
公式4-1 中 PCo−pol与PX−pol分别代表主极化方向和交叉极化方向上的辐射信号功率分量，取其比值以表征双极化天线的交叉极化水平来衡量其极化纯度。交叉极化电平(XPL)的数值越大，表示双极化天线的交叉极化水平越低，极化纯度越高。
（二）隔离度
隔离度(L)是双极化天线的另一关键衡量指标，隔离度越高说明不同极化对应端口间的耦合越低。较高的端口间隔离度方能保证双极化天线在移动通信系统中作为发射或接收天线时所形成信道的独立性。双极化天线中隔离度定义为两端口间传输系数对数形式的绝对值，其具体形式为：
(4-2)
双极化天线隔离度的影响因素主要有两部分：一是负责主极化和交叉极化的馈电结构，如微带巴伦、T 或 Y型枝节等之间的耦合；二是负责主极化和交叉极化的辐射体结构，如交叉偶极子或多偶极子等之间的耦合。微带巴伦、T或Y型枝节等之间产生耦合一般是由于其非对称结构易于形成交叉极化分量的电流或电场。以微带巴伦为例，理想巴伦应只产生平行于微带介质表面的平衡信号。然而实际工作状态下，微带结构还会在微带线和参考地板间形成电场。这部分场恰好为交叉极化方向，且往往不能完全抵消，故而积累为交叉极化分量电场，耦合到交叉极化巴伦并最终耦合给交叉极化端口，进而表现为端口间隔离度降低。而辐射体结构之间的耦合主要是馈入信号极化不纯造成的。仍以巴伦馈电的交叉偶极子为例，一方面如上所述，微带巴伦存在交叉极化分量的电场；另一方面，实际上巴伦只有越靠近中心频率处，才能形成接近平衡信号。在宽带交叉偶极子实例中，偶极子从巴伦得到的信号无法保证整个带宽内均保持良好的差分特性，自然会导致极化纯度降低。极化不纯最终会致使交叉偶极子间发生电流耦合和空间场耦合，并反向传输到交叉极化端口，反映为隔离度降低。
（三）实现方式之正交模式
通过激励具有两种正交工作模式的辐射体可以方便地实现双极化辐射特性。贴片自身即具有两种本征正交模式，即 TE和 TM模。与贴片形式互补的槽结构，如文献中的圆形槽结构，也具有类似贴片的两种正交工作模式。只要采用合适的馈电结构激励起这两种正交模式，就能形成双极化辐射特性。激励方式可以采用同轴线、微带线直接馈电，或者选用各类探针、枝节或缝隙等进行耦合馈电。一般而言，同轴线或微带线直接馈电传输效率较高。直接馈电的贴片天线品质因数较高，在中心频点处谐振较强。然而受制于贴片本征谐振带宽，其谐振效果随着远离中心频率迅速减弱，往往工作带宽较窄。相较于直接馈电，探针、枝节或缝隙等耦合馈电形式易于同时激励起贴片的多种本征模式，多模式同时在多个频点产生谐振，在反射系数曲线上表现为多个极小值点，融合后呈现一个宽带的阻抗带宽。从电路角度，探针、枝节或缝隙等结构均可视作等效电容、电感等组成的一阶或多阶串联或并联谐振器，只要调整到合理的耦合强度，就能改善辐射体中心谐振频点以外频率处的阻抗匹配，进而实现总体宽带谐振效果。
图1-2 (a)窄臂交叉偶极子 (b) 宽臂交叉偶极子
（四）实现方式之叠加模式
图1-3 线性叠加原理 (a) 极化一(b) 极化二
除了将线性模式的偶极子交叉，还可用多个偶极子叠加组合成需要的双极化辐射特性，根据叠加原则不同可分为线性叠加和矢量叠加两种方式。线性叠加原理如图 1-3 所示，图1.3(a)和 (b) 分别具体展示了两种极化的叠加过程。四组偶极子组成主辐射体，每个端口仅激励两组平行放置的偶极子，线性叠加形成一种线极化。双线极化由两个端口分别激励两对平行偶极子后经线性叠加形成。
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