圆极化天线在LTE中的应用研究

过去的20余年，为了适应移动通信系统发展的需求，天线产品形态不断的演进，由全向天线到定向天线，由单极化天线到双极化天线，由机械下倾天线到电调下倾天线。目前，基站场景复杂化、天面资源稀缺以及深度覆盖要求等新形势，要求天线产品在形式、兼容性等方面继续适应网络的应用需求。同时，运营商面临着流量经营的巨大压力，需要以更低的成本承载更多的数据流量，进而提升单位流量价值。

在LTE系统中应用MIMO技术，通过系统波束赋形、传输分集和空间复用提升系统容量。由影响系统容量的因素可以看出，当系统接收到的两路或多路信号平衡时，系统达到最优的信噪比，即达到最优的系统增益。

天线接收功率与无线环境密切相关。当收发天线确定后，由费耶斯传输方程可以看出，在多径效应不明显的环境下，天线接收到的信号强度主要取决于收发天线的极化匹配状态。

目前移动通信领域应用的天线基本都是线极化天线。在电磁波传播的过程中，由于反射和折射等无线环境中多径效应的影响，主极化方向上的电磁波由于极化偏转会有一部分耦合到交叉极化上。在接收天线来看，双极化天线的交叉极化鉴别率趋向于0dB，每一路电磁波在接收天线方向上的分量相等，保证了分集增益达到最优值。在多径效应不明显的场景下，传输信道中不同极化信号间的能量耦合较小，线极化天线发射产生的接收信号功率比取决于收发天线位置和天线交叉极化比。也就是说，在近点、中点等电磁波反射、折射不丰富的场景下，每一路线极化电磁波在两根正交接收天线方向上的分量不相等，造成系统增益达不到较优值。

如果在发射端采用圆极化天线替代线极化天线，由于LTE终端是双天线接收，两根正交的天线接收一个圆极化波，可以推导出极化匹配因子是1，即达到了理想的极化匹配状态。同样可以推导出，圆极化天线发射时，接收信号功率比与收发天线位置无关，不取决于天线的方向，在接收端两根天线接收到的圆极化波的能量始终是相等的，因此每根接收天线上的信号强度相同，达到最优的MIMO效果。

相关试验表明，在实际移动通信网络中，圆极化天线对MIMO系统性能有明显提升。在HSPA+ MIMO中应用圆极化天线，相对有11%-18%的平均吞吐量提升，最高有25%的提升量，CQI和BLER等系统指标相对略有改善。

在LTE MIMO中应用圆极化天线，是在相同系统带宽、相同信道数的前提下，通过确保接收信号功率平衡保系统证信噪比不降低，进而提升了系统容量。

作者：李新中