[科普中国]-极化分集

极化分集就是用两个正交的极化方式分别传递两种信号，这样可以节省频带资源。

极化定义1：空间经济得到的点激励，它使得空间局部范围具葩嵌的活化性质。

定义2：电极上有电流通过时，电极电势偏离其平衡值的现象。

定义3：空间一固定点由电场强度矢量或任何规定的场矢量的方向所确定的正弦电磁波或场矢量的特性。。1

分类卫星电视广播信号的极化方式有两类：一种是线极化，一种是圆极化。

其中在线极化方式下又分为水平极化和垂直极化；在圆极化方式下又分左旋圆极化和右旋圆极化。2

极化方式极化方式(Polarization）: V垂直极化；H水平极化。

即电磁场的振动方向，卫星向地面发射信号时，所采用的无线电波的振动方向可以有多种方式，目前所使用的有：水平极化（H）和垂直极化（V）。

水平极化（H）：水平极化是指卫星向地面发射信号时，其无线电波的振动方向是水平方向。例如：我们拿一条绳子左右抖动，产生的波是左右波动。

垂直极化（V）：垂直极化是指卫星向地面发射信号时，其无线电波的振动方向是垂直方向。例如：我们拿一条绳子上下抖动，产生的波是上下波动。

垂直极化和水平极化的接收，是改变馈源的矩形（长方形）波导口方向来确定接收的是垂直极化或水平极化。当矩形波导口的长边平行于地面时接收的是垂直极化， 垂直于地面时接收的是水平极化。极化方向（极化角）又因地而异有所偏差。因为地球是个球体，而卫星信号的下行波束却是水平直线传播，这就造成不同方位角所 收的同一极化信号有所不同，所以地理位置不同，所接收的信号极化方向也有所偏差。2

分集定义：由两个或更多部件或媒体组成时所涉及的性质。

介绍分集技术分集技术是通信中的一种用相对较低廉的投资就可以大幅度地改进无线链路性能的强有力的接收技术。与均衡不同，分集技术不需要训练码，从而节省了开销。分集技术通过查找和利用自然界无线传播环境中独立或者至少是高度不相关的多径信号来实现。在实际应用中，分集的各个方面的参数都由接收机决定，发射机并不知晓分集的情况。分集的概念可以简单地解释如下：如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，而另外一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信号，从而可以在多径信号中选择两个或者两个以上的信号。分集的好处是它对于接收端的瞬时信噪比和平均信噪比都有提高，通常可以提高20～30 dB。2

分集方式空间分集，又被称为天线分集，是无线通信中使用最多的分集形式，它既可以用于移动台，也可以用于基站，或者同时应用于两者。空间分集基于这样一个事实：在移动台端，如果天线间的相隔距离等于或者大于半个波长，或者在基站端分集天线间的相隔距离大于一定值(通常是几十个波长)，那么不同的分集天线上收到的信号包络将基本上是不相关的。空间分集按接收方法可以分为4类：反馈或扫描分集、选择分集、等增益分集及最大比率合并，分集增益依次增加。

极化分集基于水平极化和垂直极化路径不相关这一特性。在传输信道的反射过程中，不同极化方向的反射系数不同，这使得信号的幅度和相位的变化产生差异，在经过足够多次的反射后，不同极化方向上的信号就变成相互独立或者接近相互独立。 频率分集是在多个载频上传送信号，它基于在信道相干带宽之外的频率上不会出现相同的衰落的原理，理论上，不相关信道产生同样衰落的概率是各自产生的衰落概率的乘积。

频率分集的缺点是不仅需要备用带宽，而且需要有和频率分集中采用的频道数相等的若干个接收机，所以一般应用在特殊业务中。 时间分集是指以超过信道相干时间的时间间隔重复发送信号，以便让再次收到的信号具有独立的衰落环境，从而产生分集效果。2

分集的必要性如果不采用分集技术，在噪声受限条件下，发射机必须提高发射功率，才能保证信道情况较差时，链路能够正常连接。在移动无线环境中，由于手持终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的发射功率也非常有限。采用分集技术可以降低发射功率，这在移动通信中非常重要。蜂窝网络系统的容量大多数情况下都会受到干扰限制，因此通过采用分集技术对抗信道衰落就意味着：分集技术可以减小载波干扰比（C/I, Carrier-to-Interference Ratio）的可变性，反过来就是 C/I 的容限较低，这样就可以提高复用系数进而提高系统容量。2

国内极化分集技术发展概况我国在极化分集方面的研究起步比较晚，而主要是将极化应用在雷达技术方面。2006 年，西安电子科技大学的石小卫，黄丘林等人给出了 MIMO 系统采用极化分集时的信道模型，对接收信号空间相关性和信道容量进行了研究，并对其随接收天线极化夹角的变化情况进行了分析。研究表明，采用极化分集技术的 MIMO 系统具有良好的非相关衰落特性，信道容量得到显著提高。

2007 年，西安电子科技大学的徐志，刘其中等人建立了 X 型极化分集系统的互耦分析模型，综合考虑了天线与电路两部分互耦对系统性能的影响，给出极化分集系统信号的相关系数表达式，能够更全面地分析互耦对 X 型极化分集系统中信号相关系数、信道平均接收功率比和系统极化分集增益的影响，分集表明系统耦合虽然会提高信号的相关性，但同时也可以降低信道平均接收功率比，从而提高系统的极化分集增益，指出交叉极化辨识度对系统相关系数和信道平均接受功率比影响显著，而且交叉极化辨识度越大，系统极化分集增益越小。同年，他们又提出基于等效网络拓展模型，通过耦合矩阵级联的方式建立了包含天线单元间互耦影响的 X 型极化分集系统理论分析模型，进而推导出天线单元平均接收功率以及空域相关系数的解析式，由此可以分析天线间互耦与来波平均到达角对天线单元平均接收功率及其信道容量等的影响，仿真结果表明，在以对称振子为单元的分集系统中互耦降低了天线单元平均接收功率及其信道容量。

2007 年，武汉理工大学的童超，李平安等人结合空间分集和极化分集，对MIMO-OFDM 系统中的容量进行研究，在 IEEE 802.16d 室内多径环境下，对使用 2 根发射天线和 2 根接收天线的 MIMO-OFDM 系统进行了深入研究。在发射端和接收端，空间分集和极化分集技术同时应用在 MIMO-OFDM 系统中。仿真结果表明，使用极化分集能偶有效地提高信道容量，而不需要增加天线的数目。

2007 年，电子科技大学伍裕江，聂在平研究了六极化元天线和三维极化偶极子天线模型的空域相关矩阵，计算了系统的信达容量和有效空间自由度。通过定义更广义的角谱分布，指出了在六维极化的元天线模型中，平均入射角对系统性能起着关键的作用，而入射角谱的对称性也是导致元天线模型中低相关性的主要原因；通过对三维正交极化的半波偶极子结合矩量法和蒙特卡罗方法计算，论证了在散射丰富条件下应用三维极化天线，可获得近三倍单天线信道容量的增益，从而验证了已有的测试结果；最后给出了三维正交天线的设计思路。

2008 年，此二人又提出了一种新的提高极化分集性能的预处理方法，可以在任意极化的入射场条件下保证两分集分支的接收功率相等，并给出了相应的理论分析及其物理解释。在典型的信道环境中，通过与两种典型的极化分集方案的性能比较，证明了该方法的优越性。

2008 年，南京电子技术研究所的钱丽，丁家会对极化分集接收技术的研究表明，当 2 路极化信号的相位变化、幅度变化、信噪比变化时，给出了最佳信噪比合成条件以及合成后所能达到的极性性能的推导，同时给出了工程实现的方法和详细计算仿真结果。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学