Инженеры-электронщики знают, что антенны отправляют и принимают сигналы в виде волн электромагнитной (ЭМ) энергии, описываемых уравнениями Максвелла. Как и многие другие темы, эти уравнения и свойства распространения электромагнетизма можно изучать на разных уровнях: от относительно качественных терминов до сложных уравнений.
Существует множество аспектов распространения электромагнитной энергии, одним из которых является поляризация, которая может иметь различную степень воздействия или беспокойства в приложениях и конструкциях их антенн. Основные принципы поляризации применимы ко всему электромагнитному излучению, включая радиочастотное и беспроводное, оптическую энергию, и часто используются в оптических приложениях.
Что такое поляризация антенны?
Прежде чем понять поляризацию, мы должны сначала понять основные принципы электромагнитных волн. Эти волны состоят из электрических полей (поля E) и магнитных полей (поля H) и движутся в одном направлении. Поля E и H перпендикулярны друг другу и направлению распространения плоских волн.
Поляризация относится к плоскости электронного поля с точки зрения передатчика сигнала: при горизонтальной поляризации электрическое поле будет перемещаться вбок в горизонтальной плоскости, тогда как при вертикальной поляризации электрическое поле будет колебаться вверх и вниз в вертикальной плоскости.( рисунок 1).
Рисунок 1. Волны электромагнитной энергии состоят из взаимно перпендикулярных компонентов полей E и H.
Линейная поляризация и круговая поляризация
Режимы поляризации включают в себя следующее:
В базовой линейной поляризации две возможные поляризации ортогональны (перпендикулярны) друг другу (рис. 2). Теоретически приемная антенна с горизонтальной поляризацией не будет «видеть» сигнал от антенны с вертикальной поляризацией и наоборот, даже если обе работают на одной и той же частоте. Чем лучше они выровнены, тем больше сигнала улавливается, а передача энергии максимизируется при совпадении поляризаций.
Рисунок 2. Линейная поляризация обеспечивает два варианта поляризации, расположенные под прямым углом друг к другу.
Косая поляризация антенны является разновидностью линейной поляризации. Как и базовая горизонтальная и вертикальная поляризация, эта поляризация имеет смысл только в земной среде. Косая поляризация находится под углом ±45 градусов к горизонтальной базовой плоскости. Хотя на самом деле это просто еще одна форма линейной поляризации, термин «линейная» обычно относится только к антеннам с горизонтальной или вертикальной поляризацией.
Несмотря на некоторые потери, сигналы, передаваемые (или принимаемые) диагональной антенной, возможны только при использовании антенн с горизонтальной или вертикальной поляризацией. Антенны с наклонной поляризацией полезны, когда поляризация одной или обеих антенн неизвестна или изменяется во время использования.
Круговая поляризация (ЦП) более сложна, чем линейная поляризация. В этом режиме поляризация, представленная вектором поля E, вращается по мере распространения сигнала. При повороте вправо (смотря от передатчика) круговая поляризация называется правосторонней круговой поляризацией (RHCP); при повороте влево — левосторонняя круговая поляризация (LHCP) (рис. 3).
Рисунок 3: При круговой поляризации вектор поля E электромагнитной волны вращается; это вращение может быть правосторонним или левосторонним
Сигнал CP состоит из двух ортогональных волн, находящихся в противофазе. Для генерации сигнала CP необходимы три условия. Поле E должно состоять из двух ортогональных компонент; два компонента должны сдвинуты по фазе на 90 градусов и быть равными по амплитуде. Простой способ создания CP — использовать спиральную антенну.
Эллиптическая поляризация (ЭП) является разновидностью КП. Эллиптически поляризованные волны — это усиление, создаваемое двумя линейно поляризованными волнами, такими как CP-волны. При объединении двух взаимно перпендикулярных линейно поляризованных волн с неравными амплитудами образуется эллиптически поляризованная волна.
Рассогласование поляризации между антеннами описывается коэффициентом поляризационных потерь (PLF). Этот параметр выражается в децибелах (дБ) и является функцией разницы угла поляризации между передающей и приемной антеннами. Теоретически PLF может варьироваться от 0 дБ (без потерь) для идеально ориентированной антенны до бесконечности дБ (бесконечные потери) для идеально ортогональной антенны.
В действительности, однако, выравнивание (или смещение) поляризации не является идеальным, поскольку механическое положение антенны, поведение пользователя, искажения канала, многолучевые отражения и другие явления могут вызвать некоторые угловые искажения передаваемого электромагнитного поля. Первоначально будет наблюдаться «утечка» кроссполяризации сигнала от ортогональной поляризации на 10–30 дБ или более, что в некоторых случаях может оказаться достаточным, чтобы помешать восстановлению полезного сигнала.
Напротив, фактическая PLF для двух выровненных антенн с идеальной поляризацией может составлять 10 дБ, 20 дБ или больше, в зависимости от обстоятельств, и может препятствовать восстановлению сигнала. Другими словами, непреднамеренная кросс-поляризация и PLF могут работать в обоих направлениях, создавая помехи полезному сигналу или уменьшая желаемую мощность сигнала.
Зачем беспокоиться о поляризации?
Поляризация работает двумя способами: чем более выровнены две антенны и имеют одинаковую поляризацию, тем лучше мощность принимаемого сигнала. И наоборот, плохое выравнивание поляризации затрудняет приемнику, намеренному или неудовлетворенному, уловить достаточное количество интересующего сигнала. Во многих случаях «канал» искажает передаваемую поляризацию, либо одна или обе антенны не имеют фиксированного статического направления.
Выбор используемой поляризации обычно определяется условиями установки или атмосферными условиями. Например, антенна с горизонтальной поляризацией будет работать лучше и сохранять свою поляризацию при установке возле потолка; и наоборот, антенна с вертикальной поляризацией будет работать лучше и сохранит свои характеристики поляризации при установке возле боковой стены.
Широко используемая дипольная антенна (простая или сложенная) имеет горизонтальную поляризацию в «нормальной» монтажной ориентации (рис. 4) и часто поворачивается на 90 градусов, чтобы при необходимости принять вертикальную поляризацию или поддержать предпочтительный режим поляризации (рис. 5).
Рисунок 4. Дипольная антенна обычно устанавливается горизонтально на мачте, чтобы обеспечить горизонтальную поляризацию.
Рис. 5. Для приложений, требующих вертикальной поляризации, дипольную антенну можно установить соответствующим образом в месте захвата антенны.
Вертикальная поляризация обычно используется для портативных мобильных радиостанций, например тех, которые используются службами быстрого реагирования, поскольку многие конструкции радиоантенн с вертикальной поляризацией также обеспечивают всенаправленную диаграмму направленности. Поэтому такие антенны не придется переориентировать даже при изменении направления радиостанции и антенны.
Антенны высокой частоты (ВЧ) диапазона 3–30 МГц обычно состоят из простых длинных проводов, соединенных горизонтально между кронштейнами. Его длина определяется длиной волны (10 – 100 м). Этот тип антенны, естественно, имеет горизонтальную поляризацию.
Стоит отметить, что называть этот диапазон «высокочастотным» начали несколько десятилетий назад, когда 30 МГц действительно были высокой частотой. Хотя это описание сейчас кажется устаревшим, оно является официальным обозначением Международного союза электросвязи и до сих пор широко используется.
Предпочтительную поляризацию можно определить двумя способами: либо с использованием земных волн для более сильной передачи сигналов ближнего радиуса действия вещательным оборудованием, использующим диапазон средних волн (МВт) 300 кГц – 3 МГц, либо с использованием небесных волн для больших расстояний через ионосферную линию связи. Вообще говоря, антенны с вертикальной поляризацией имеют лучшее распространение земных волн, тогда как антенны с горизонтальной поляризацией имеют лучшие характеристики ионосферных волн.
Круговая поляризация широко используется для спутников, поскольку ориентация спутника относительно наземных станций и других спутников постоянно меняется. Эффективность между передающей и приемной антеннами максимальна, когда обе имеют круговую поляризацию, но с CP-антеннами можно использовать антенны с линейной поляризацией, хотя существует коэффициент поляризационных потерь.
Поляризация также важна для систем 5G. Некоторые антенные решетки 5G с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) обеспечивают повышенную пропускную способность за счет использования поляризации для более эффективного использования доступного спектра. Это достигается за счет сочетания различных поляризаций сигнала и пространственного мультиплексирования антенн (пространственное разнесение).
Система может передавать два потока данных, поскольку потоки данных соединены независимыми ортогонально поляризованными антеннами и могут быть восстановлены независимо. Даже если существует некоторая кросс-поляризация из-за искажений на трассе и канале, отражений, многолучевого распространения и других недостатков, приемник использует сложные алгоритмы для восстановления каждого исходного сигнала, что приводит к снижению коэффициента битовых ошибок (BER) и, в конечном итоге, к улучшению использования спектра.
в заключение
Поляризация — важное свойство антенны, которое часто упускают из виду. Линейная (включая горизонтальную и вертикальную) поляризация, косая поляризация, круговая поляризация и эллиптическая поляризация используются для различных приложений. Диапазон сквозных радиочастотных характеристик, которых может достичь антенна, зависит от ее относительной ориентации и выравнивания. Стандартные антенны имеют разную поляризацию и подходят для разных частей спектра, обеспечивая предпочтительную поляризацию для целевого применения.
Рекомендуемые продукты:
| RM-ДФГА2030-15 | ||
| Параметры | Типичный | Единицы |
| Частотный диапазон | 20-30 | ГГц |
| Прирост | 15 Тип. | dBi |
| КСВН | 1.3 Тип. | |
| поляризация | Двойной Линейный | |
| Кросс Пол. Изоляция | 60 Тип. | dB |
| Изоляция портов | 70 Тип. | dB |
| Разъем | СМА-Fэлектронная почта | |
| Материал | Al | |
| Отделка | Краска | |
| Размер(Д*Ш*В) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Масса | 0,074 | kg |
| RM-БДХА118-10 | ||
| Элемент | Спецификация | Единица |
| Частотный диапазон | 1-18 | ГГц |
| Прирост | 10 Тип. | dBi |
| КСВН | 1,5 Тип. | |
| поляризация | Линейный | |
| Кросс По. Изоляция | 30 Тип. | dB |
| Разъем | СМА-Женский | |
| Отделка | Pнет | |
| Материал | Al | |
| Размер(Д*Ш*В) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
| Масса | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Параметры | Типичный | Единицы |
| Частотный диапазон | 2-18 | ГГц |
| Прирост | 15 Тип. | dBi |
| КСВН | 1,5 Тип. |
|
| поляризация | Двойной Линейный |
|
| Кросс Пол. Изоляция | 40 | dB |
| Изоляция портов | 40 | dB |
| Разъем | СМА-Ф |
|
| Обработка поверхности | Pнет |
|
| Размер(Д*Ш*В) | 276*147*147(±5) | mm |
| Масса | 0,945 | kg |
| Материал | Al |
|
| Рабочая температура | -40-+85 | °C |
| RM-БДФА9395-22 | ||
| Параметры | Типичный | Единицы |
| Частотный диапазон | 93-95 | ГГц |
| Прирост | 22 Тип. | dBi |
| КСВН | 1.3 Тип. |
|
| поляризация | Двойной Линейный |
|
| Кросс Пол. Изоляция | 60 Тип. | dB |
| Изоляция портов | 67 Тип. | dB |
| Разъем | WR10 |
|
| Материал | Cu |
|
| Отделка | Золотой |
|
| Размер(Д*Ш*В) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Масса | 0,015 | kg |
Время публикации: 11 апреля 2024 г.
