Inżynierowie elektronicy wiedzą, że anteny wysyłają i odbierają sygnały w postaci fal energii elektromagnetycznej (EM) opisanych równaniami Maxwella. Podobnie jak w przypadku wielu tematów, równania te i właściwości propagacji elektromagnetyzmu można badać na różnych poziomach, od względnie jakościowych terminów po złożone równania.
Istnieje wiele aspektów propagacji energii elektromagnetycznej, jednym z nich jest polaryzacja, która może mieć różny stopień wpływu lub obaw w zastosowaniach i ich projektach antenowych. Podstawowe zasady polaryzacji dotyczą całego promieniowania elektromagnetycznego, w tym RF/bezprzewodowego, energii optycznej i są często stosowane w zastosowaniach optycznych.
Czym jest polaryzacja anteny?
Zanim zrozumiemy polaryzację, musimy najpierw zrozumieć podstawowe zasady fal elektromagnetycznych. Fale te składają się z pól elektrycznych (pola E) i pól magnetycznych (pola H) i poruszają się w jednym kierunku. Pola E i H są prostopadłe do siebie i do kierunku propagacji fali płaskiej.
Polaryzacja odnosi się do płaszczyzny pola elektrycznego z perspektywy nadajnika sygnału: w przypadku polaryzacji poziomej pole elektryczne będzie poruszało się na boki w płaszczyźnie poziomej, natomiast w przypadku polaryzacji pionowej pole elektryczne będzie oscylowało w górę i w dół w płaszczyźnie pionowej (rysunek 1).
Rysunek 1: Fale energii elektromagnetycznej składają się z wzajemnie prostopadłych składowych pola E i H
Polaryzacja liniowa i polaryzacja kołowa
Tryby polaryzacji obejmują:
W podstawowej polaryzacji liniowej dwie możliwe polaryzacje są ortogonalne (prostopadłe) do siebie (Rysunek 2). Teoretycznie antena odbiorcza o polaryzacji poziomej nie „zobaczy” sygnału z anteny o polaryzacji pionowej i odwrotnie, nawet jeśli obie działają na tej samej częstotliwości. Im lepiej są wyrównane, tym więcej sygnału jest przechwytywane, a transfer energii jest maksymalizowany, gdy polaryzacje są zgodne.
Rysunek 2: Polaryzacja liniowa zapewnia dwie opcje polaryzacji prostopadłe do siebie
Ukośna polaryzacja anteny jest rodzajem polaryzacji liniowej. Podobnie jak podstawowa polaryzacja pozioma i pionowa, ta polaryzacja ma sens tylko w środowisku naziemnym. Polaryzacja ukośna jest pod kątem ±45 stopni do poziomej płaszczyzny odniesienia. Chociaż jest to po prostu inna forma polaryzacji liniowej, termin „liniowy” zwykle odnosi się tylko do anten spolaryzowanych poziomo lub pionowo.
Mimo pewnych strat sygnały wysyłane (lub odbierane) przez antenę diagonalną są możliwe do uzyskania tylko przy użyciu anten spolaryzowanych poziomo lub pionowo. Anteny spolaryzowane ukośnie są przydatne, gdy polaryzacja jednej lub obu anten jest nieznana lub zmienia się w trakcie użytkowania.
Polaryzacja kołowa (CP) jest bardziej złożona niż polaryzacja liniowa. W tym trybie polaryzacja reprezentowana przez wektor pola E obraca się, gdy sygnał się rozchodzi. Po obróceniu w prawo (patrząc od nadajnika) polaryzacja kołowa nazywana jest prawoskrętną polaryzacją kołową (RHCP); po obróceniu w lewo nazywana jest lewoskrętną polaryzacją kołową (LHCP) (Rysunek 3)
Rysunek 3: W polaryzacji kołowej wektor pola E fali elektromagnetycznej obraca się; obrót ten może być prawoskrętny lub lewoskrętny
Sygnał CP składa się z dwóch fal ortogonalnych, które są poza fazą. Aby wygenerować sygnał CP, wymagane są trzy warunki. Pole E musi składać się z dwóch ortogonalnych składowych; obie składowe muszą być poza fazą o 90 stopni i mieć równą amplitudę. Prostym sposobem na wygenerowanie CP jest użycie anteny helikalnej.
Polaryzacja eliptyczna (EP) jest typem CP. Fale spolaryzowane eliptycznie to wzmocnienie wytwarzane przez dwie fale spolaryzowane liniowo, takie jak fale CP. Gdy połączymy dwie wzajemnie prostopadłe fale spolaryzowane liniowo o nierównych amplitudach, powstanie fala spolaryzowana eliptycznie.
Niedopasowanie polaryzacji między antenami jest opisane przez współczynnik strat polaryzacji (PLF). Ten parametr jest wyrażony w decybelach (dB) i jest funkcją różnicy kąta polaryzacji między antenami nadawczą i odbiorczą. Teoretycznie PLF może wynosić od 0 dB (brak strat) dla idealnie wyrównanej anteny do nieskończonej dB (nieskończona strata) dla idealnie ortogonalnej anteny.
W rzeczywistości jednak wyrównanie (lub rozbieżność) polaryzacji nie jest idealne, ponieważ mechaniczna pozycja anteny, zachowanie użytkownika, zniekształcenie kanału, odbicia wielodrożne i inne zjawiska mogą powodować pewne zniekształcenie kątowe przesyłanego pola elektromagnetycznego. Początkowo będzie 10–30 dB lub więcej „wycieku” sygnału z polaryzacji ortogonalnej, co w niektórych przypadkach może wystarczyć, aby zakłócić odzyskiwanie pożądanego sygnału.
Natomiast rzeczywisty PLF dla dwóch ustawionych anten o idealnej polaryzacji może wynosić 10 dB, 20 dB lub więcej, w zależności od okoliczności, i może utrudniać odzyskiwanie sygnału. Innymi słowy, niezamierzona polaryzacja krzyżowa i PLF mogą działać w obie strony, zakłócając pożądany sygnał lub zmniejszając pożądaną siłę sygnału.
Dlaczego warto przejmować się polaryzacją?
Polaryzacja działa na dwa sposoby: im bardziej wyrównane są dwie anteny i mają tę samą polaryzację, tym większa jest siła odbieranego sygnału. Z drugiej strony, słabe wyrównanie polaryzacji utrudnia odbiornikom, niezależnie od tego, czy zamierzają, czy nie, przechwycenie wystarczającej ilości interesującego sygnału. W wielu przypadkach „kanał” zniekształca transmitowaną polaryzację lub jedna lub obie anteny nie znajdują się w ustalonym, statycznym kierunku.
Wybór polaryzacji, którą należy zastosować, jest zazwyczaj determinowany przez instalację lub warunki atmosferyczne. Na przykład antena o polaryzacji poziomej będzie działać lepiej i zachowa swoją polaryzację, gdy zostanie zainstalowana w pobliżu sufitu; odwrotnie, antena o polaryzacji pionowej będzie działać lepiej i zachowa swoją wydajność polaryzacji, gdy zostanie zainstalowana w pobliżu ściany bocznej.
Powszechnie stosowana antena dipolowa (zwykła lub złożona) jest spolaryzowana poziomo w „normalnej” pozycji montażowej (rysunek 4), a często jest obracana o 90 stopni, aby przyjąć polaryzację pionową, gdy jest to wymagane, lub aby wspierać preferowany tryb polaryzacji (rysunek 5).
Rysunek 4: Antena dipolowa jest zwykle montowana poziomo na maszcie, aby zapewnić polaryzację poziomą
Rysunek 5: W przypadku zastosowań wymagających polaryzacji pionowej antenę dipolową można zamontować w miejscu, w którym antena ją zaczepia.
Polaryzacja pionowa jest powszechnie stosowana w przenośnych radiotelefonach, takich jak te używane przez służby ratunkowe, ponieważ wiele anten radiowych o polaryzacji pionowej zapewnia również dookólny wzór promieniowania. Dlatego takich anten nie trzeba przestawiać, nawet jeśli kierunek radia i anteny ulegnie zmianie.
Anteny o wysokiej częstotliwości (HF) 3 - 30 MHz są zazwyczaj konstruowane jako proste długie przewody nawleczone poziomo między wspornikami. Ich długość jest określana przez długość fali (10 - 100 m). Ten typ anteny jest naturalnie spolaryzowany poziomo.
Warto zauważyć, że nazywanie tego pasma „wysoką częstotliwością” zaczęło się dekady temu, kiedy 30 MHz było rzeczywiście wysoką częstotliwością. Chociaż ten opis wydaje się obecnie nieaktualny, jest to oficjalne oznaczenie Międzynarodowej Unii Telekomunikacyjnej i jest nadal szeroko stosowane.
Preferowaną polaryzację można określić na dwa sposoby: albo używając fal naziemnych do silniejszego sygnalizowania krótkiego zasięgu przez sprzęt nadawczy używający pasma fal średnich (MW) 300 kHz - 3 MHz, albo używając fal nieba na większe odległości przez łącze jonosferyczne. Mówiąc ogólnie, anteny spolaryzowane pionowo mają lepszą propagację fal naziemnych, podczas gdy anteny spolaryzowane poziomo mają lepszą wydajność fal nieba.
Polaryzacja kołowa jest szeroko stosowana w przypadku satelitów, ponieważ orientacja satelity względem stacji naziemnych i innych satelitów stale się zmienia. Wydajność między antenami nadawczymi i odbiorczymi jest największa, gdy obie są spolaryzowane kołowo, ale anteny spolaryzowane liniowo mogą być używane z antenami CP, chociaż występuje współczynnik strat polaryzacji.
Polaryzacja jest również ważna dla systemów 5G. Niektóre układy antenowe 5G z wieloma wejściami i wieloma wyjściami (MIMO) osiągają zwiększoną przepustowość, wykorzystując polaryzację, aby wydajniej wykorzystać dostępne widmo. Osiąga się to za pomocą kombinacji różnych polaryzacji sygnału i multipleksowania przestrzennego anten (różnorodność przestrzenna).
System może przesyłać dwa strumienie danych, ponieważ strumienie danych są połączone niezależnymi ortogonalnie spolaryzowanymi antenami i mogą być odzyskiwane niezależnie. Nawet jeśli istnieje pewna polaryzacja krzyżowa z powodu zniekształceń ścieżki i kanału, odbić, wielodrożności i innych niedoskonałości, odbiornik wykorzystuje zaawansowane algorytmy, aby odzyskać każdy oryginalny sygnał, co skutkuje niskimi współczynnikami błędów bitowych (BER) i ostatecznie poprawionym wykorzystaniem widma.
Podsumowując
Polaryzacja jest ważną właściwością anteny, która jest często pomijana. Polaryzacja liniowa (w tym pozioma i pionowa), polaryzacja ukośna, polaryzacja kołowa i polaryzacja eliptyczna są używane do różnych zastosowań. Zakres wydajności RF od końca do końca, jaki może osiągnąć antena, zależy od jej względnej orientacji i wyrównania. Standardowe anteny mają różne polaryzacje i są odpowiednie dla różnych części widma, zapewniając preferowaną polaryzację dla docelowego zastosowania.
Polecane produkty:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parametry | Typowy | Jednostki |
| Zakres częstotliwości | 20-30 | GHz |
| Osiągać | 15 Typ. | dBi |
| Współczynnik SWR | 1.3 Typ. | |
| Polaryzacja | Podwójny Liniowy | |
| Izolacja Cross Pol. | 60 Typ. | dB |
| Izolacja portu | 70 Typ. | dB |
| Złącze | SMA-Female | |
| Tworzywo | Al | |
| Wykończeniowy | Farba | |
| Rozmiar(Dł.*Szer.*Wys.) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Waga | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Przedmiot | Specyfikacja | Jednostka |
| Zakres częstotliwości | 1-18 | GHz |
| Osiągać | 10 Typ. | dBi |
| Współczynnik SWR | 1,5 Typ. | |
| Polaryzacja | Liniowy | |
| Izolacja Cross Po. | 30 Typ. | dB |
| Złącze | SMA-kobieta | |
| Wykończeniowy | Pnie ma | |
| Tworzywo | Al | |
| Rozmiar(Dł.*Szer.*Wys.) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
| Waga | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Parametry | Typowy | Jednostki |
| Zakres częstotliwości | 2-18 | GHz |
| Osiągać | 15 Typ. | dBi |
| Współczynnik SWR | 1,5 Typ. |
|
| Polaryzacja | Podwójny Liniowy |
|
| Izolacja Cross Pol. | 40 | dB |
| Izolacja portu | 40 | dB |
| Złącze | SMA-F |
|
| Obróbka powierzchni | Pnie ma |
|
| Rozmiar(Dł.*Szer.*Wys.) | 276*147*147(±5) | mm |
| Waga | 0,945 | kg |
| Tworzywo | Al |
|
| Temperatura pracy | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parametry | Typowy | Jednostki |
| Zakres częstotliwości | 93-95 | GHz |
| Osiągać | 22 Typ. | dBi |
| Współczynnik SWR | 1.3 Typ. |
|
| Polaryzacja | Podwójny Liniowy |
|
| Izolacja Cross Pol. | 60 Typ. | dB |
| Izolacja portu | 67 Typ. | dB |
| Złącze | WR10 |
|
| Tworzywo | Cu |
|
| Wykończeniowy | Złoty |
|
| Rozmiar(Dł.*Szer.*Wys.) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Waga | 0,015 | kg |
Czas publikacji: 11-kwi-2024
