对数周期天线极化方式与无线链路匹配关系讲解

对数周期天线，英文缩写LPDA，是一类典型的宽带定向天线。它由杜汉梅尔和伊斯贝尔在1957年前后提出，此后在电视接收、短波通信、电磁兼容测试和频谱监测中一直有广泛应用。这类天线可以在十几倍频程的范围内保持较稳定的方向图和输入阻抗，极化方式则由振子的排列方向直接决定。极化是否与无线链路匹配，会直接影响接收电平，在宽带系统中尤其需要单独考虑。

一、对数周期天线的结构与极化特征

对数周期天线由一根集合线和一组长度、间距按固定比例递减的振子组成。相邻振子的长度比称为比例因子τ，常见取值在0.8到0.95之间，τ越大，增益越高，振子数量也越多。间距因子σ通常在0.05到0.2之间。工作时，辐射区落在长度接近半波长的那几根振子上，频率升高，辐射区就向短振子一端移动，所以整个频带内方向图能保持一致。

它的极化属于线极化，电场方向与振子平行。振子平行于地面安装时为水平极化，振子垂直于地面时为垂直极化，天线本体并不改变极化类型，只是随安装姿态转动。常规商用产品增益多在5到11 dBi，前后比一般为15到20 dB，驻波比通常控制在1.5到2.0以内，E面半功率波束宽度约60°到80°，H面则在100°到120°左右。这些参数说明它有一定的方向性，但波束依然比较宽，安装时对极化方向的对准比对方位的对准要更敏感一些。

二、极化失配损耗的计算方法

收发天线极化方向不一致时，接收功率会按极化损耗因子折减，线极化对线极化的情况下，损耗因子等于两个电场矢量夹角θ的余弦平方。夹角为0°时无附加损耗，夹角为30°时约为1.25 dB，夹角为45°时为3 dB，夹角为60°时约为6 dB，夹角接近90°时理论上趋于无穷大，实际由于天线交叉极化分量和环境反射的存在，通常表现为20到30 dB的隔离。

如果一端是圆极化，另一端是线极化，则无论线极化天线如何旋转，损耗都稳定在3 dB左右，这是因为圆极化波可以分解为两个幅度相等、相位差90°的正交线极化分量，线极化天线只能接收其中一个。这个数值在链路预算里是一个固定项，工程上常与自由空间路径损耗一起计入。自由空间路径损耗可用 32.44 + 20lg(d) + 20lg(f) 估算，d单位为千米，f单位为MHz。比如2.4 GHz频段、距离1 km时约为100 dB，此时3 dB的极化损耗相当于链路余量被消耗了一半的量级，不能忽略。

三、常见无线链路中的极化选择

不同业务对极化的选择，有各自的传播和设备背景。地面广播和部分短波通信习惯采用水平极化，一方面是水平极化受地面反射的影响相对稳定，另一方面是工业和城市环境中的垂直极化干扰源相对更多。移动通信终端天线多数按垂直极化设计，手持时姿态又不固定，所以基站侧普遍采用±45°双极化，以便对不同姿态的终端都有一定的接收能力。点对点的微波或Wi-Fi桥接链路，则更看重收发两端极化的一致性，两端统一用垂直或统一用水平，是最直接的做法。

对数周期天线的宽带特性，让它经常出现在需要同时覆盖多个频段的场合，例如698 MHz到2700 MHz的蜂窝频段覆盖，或者400 MHz到6 GHz的宽带测试。这类场合下，极化的选择往往要服从被测信号或目标链路的极化方向。

四、双极化结构与MIMO链路

双极化对数周期天线一般由两组相互正交的振子阵列交叉排列而成，两个端口分别对应两个正交极化方向，可以是水平与垂直，也可以是±45°。端口间隔离度是衡量它的关键指标，主流产品通常不低于25 dB，交叉极化比在主瓣方向一般不低于15 dB。有了这两个指标，2×2 MIMO系统才能把两路数据流在极化域里区分开。

在多径较丰富的室内或城区环境中，信号经过多次反射和散射，极化会发生一定程度的旋转，这被称为去极化效应。此时收发两端即使极化设置一致，交叉极化鉴别率（XPD）也会下降，室内典型值在几dB到十几dB之间。也正因为如此，双极化天线的分集增益在多径环境下反而更明显，两个极化通道之间的相关性较低，等效于额外获得了空间分集的效果。Wi-Fi 6E使用的5925到7125 MHz频段，以及5G的n78频段，都在利用这一特性。

五、安装姿态与馈线的匹配细节

安装时首先要确认振子平面的朝向，多数产品在集合线上有标识，或在说明书里注明水平安装与垂直安装的对应关系。旋转90°就能在水平极化和垂直极化之间切换，转动角度的精度控制在±5°以内，附加损耗可以压到0.1 dB以下，这个数值在大多数链路预算里都可以忽略。

馈线和接头同样是匹配的一部分。天线端口阻抗为50 Ω，馈线应选用同为50 Ω的同轴电缆，接头形式常见为N型或SMA。频率越高，馈线损耗越大，比如同一种低损耗同轴线，在6 GHz的每百米衰减会比在900 MHz时高出2倍以上，所以宽带使用时需要按最高工作频率来估算馈线损耗。天线周围尽量保持开阔，金属物体与振子之间保持至少一个最低工作频率波长的四分之一的距离，方向图和极化纯度才不会明显变形。

六、快问快答

Q：5G基站采用±45°双极化，终端侧用垂直安装的对数周期天线接收，会有多少极化损耗？

A：理论上是3 dB。基站的±45°极化相对于垂直方向夹角为45°，代入cos²45°得到0.5，也就是3 dB。不过实际链路里，信号经过反射后极化会有一定程度的旋转，加上基站两个极化通道的信号都能被垂直天线接收到一部分，实测损耗常常会略小于这个理论值。如果是固定安装的终端设备，把天线旋转到45°与基站极化对齐，这部分损耗就可以基本消除。

Q：频谱监测中为什么常用对数周期天线搭配可旋转云台？

A：频谱监测面对的信号极化是未知的，可能是水平，也可能是垂直，还有斜极化。云台可以在水平和垂直两个姿态之间切换，分别测量后取电平较高的一组作为信号强度的判断依据。对数周期天线在几百MHz到几GHz范围内方向图较稳定，配合云台转动，还可以同时完成信号测向。现在很多监测系统加入了自动化控制，转台的角度分辨率能做到1°甚至更细，极化切换也可以由程序在几秒内完成。

Q：对数周期天线在工作带宽内，极化纯度是否始终一致？

A：并不完全一致。频带中段，辐射区的振子对称性好，交叉极化电平较低，一般可以做到比主极化低20 dB左右。到了频带的边缘，辐射区落在阵列两端，振子数量减少，集合线和馈电结构对辐射的影响变大，交叉极化电平会有所升高。所以在CISPR 32等标准的辐射发射测试中，测试频段通常为30 MHz到1 GHz，天线需要分别在水平和垂直两种极化下测量，取较大值作为结果，也是为了覆盖这种差异。使用时可以关注厂家提供的交叉极化曲线，而不只看增益曲线。

Q：低轨卫星通信多采用圆极化，用线极化的对数周期天线接收，损耗为什么固定在3 dB左右？

A：圆极化波可以看成两个幅度相等、相位相差90°的正交线极化分量叠加，线极化天线只能接收其中和自己方向一致的那一个分量，能量占总功率的一半，所以是3 dB。由于圆极化波的电场矢量本身在持续旋转，线极化天线无论摆放在哪个角度，接收到的分量大小都不变，损耗因此与安装角度无关。这一特点让线极化天线在低轨卫星的信号监测、临时接收等场合仍有实用价值。不过若是长期通信链路，圆极化天线的轴比一般要求不大于3 dB，匹配度更好，链路余量也更充裕。