使用低交叉极化微型贴片的紧凑型双端口线极化与圆极化天线

为拥挤的无线空间设计更小的天线

智能手机、家用路由器和微型传感器都依赖紧凑型天线来发送和接收数据。随着设备尺寸缩小且连接数量增加，工程师需要能够装入狭小空间且互不干扰的天线。该研究展示了如何重塑常见的平面贴片天线，使其在更低频工作、占用更少空间，同时在两个相邻信号路径之间保持良好隔离，从而提高无线连接的可靠性。

为何在一台设备中需要两个天线

现代无线设备通常在并排放置两个天线，使每个天线处理不同的极化方向。这个技巧称为极化分集，可帮助抵抗信号衰落并提升多天线（MIMO）系统的数据速率。问题在于，当这些天线被紧密挤压时，一部分能量会从一个天线泄漏到另一个，增加干扰并削弱双通道带来的好处。许多现有设计通过在天线之间或天线之上添加附加结构来解决这一问题，但这些附件会使硬件体积更大、结构更复杂。

控制不需要的信号方向

作者关注一个微妙但关键的问题——交叉极化。理想情况下，天线应只在电场的某一优选方向上辐射。实际上，尤其在天线被微缩时，会在与期望方向垂直的方向产生额外场分量。在一个每个端口应采用不同极化的双端口系统中，这些杂散分量会成为能量从一个端口跳到另一个端口的捷径。通过仔细分析来自两根互相垂直天线的电场如何相互作用，研究表明：如果不需要的交叉极化场分量被控制得非常小，即使天线极为接近，端口之间的耦合也可以保持在很低的水平。

一种既缩小又保持纯净的贴片新形状

为同时实现小型化和纯净极化，研究人员重新设计了标准的矩形贴片天线。他们将金属贴片切成若干狭窄段，在段间加入微小间隙，并通过金属通孔将选定部分接地。他们还在贴片中引入曲折（meander）形带状结构。这些特征共同延长了电流路径并增加电容，而不扩大外形轮廓，使天线能在大约4.3 GHz附近谐振，而不是其物理尺寸通常对应的更高频率。仿真显示，这一微型化贴片在保持良好增益的同时，将不需要的交叉极化降低到主信号下约50分贝，这是异常低的值。

具有线极化和圆极化的双端口天线

基于这种新贴片，团队构建了两类双端口阵列。在第一种方案中，两个微型贴片在同一电路板上以直角放置，形成双线极化天线。即使边缘到边缘的间距仅为波长的一小部分，端口仍能保持良好匹配，实测隔离度保持在30分贝以上，且无需额外的解耦器件。在第二种设计中，相同的紧凑贴片与印刷混合耦合器结合，产生两个圆极化输出——一个右旋一个左旋。该双圆极化阵列工作在约4.3 GHz，隔离度保持在10分贝以上，并提供稳定的辐射方向图和适度增益，适合实际应用。

这对未来无线设备的意义

与文献中类似的双端口天线相比，所提出的两种设计在保持有竞争力的带宽、增益与隔离的同时，占用了一些最小的电气面积。由于两个端口之间的清晰分离源自微型化贴片的固有行为，而非体积庞大的附加结构，整体布局保持简单且低剖面。对于设计手机、传感器或其他空间受限的无线产品的工程师而言，这些紧凑且低交叉极化的天线为在更小的设备中集成更可靠的链路提供了有前景的途径。

引用: Tran-Tuan, A., Hoang-Thu, T., Le-Tuan, T. et al. Compact 2-port linearly and circularly polarized antennas using low cross-polarization miniaturized patch. Sci Rep 16, 15768 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46704-6

关键词: 紧凑天线, MIMO, 极化, 无线系统, 贴片天线