Инженеры-электронщики знают, что антенны передают и принимают сигналы в виде волн электромагнитной энергии, описываемых уравнениями Максвелла. Как и во многих других областях, эти уравнения, а также свойства распространения электромагнетизма, могут изучаться на разных уровнях, от относительно качественных терминов до сложных уравнений.
Распространение электромагнитной энергии имеет множество аспектов, одним из которых является поляризация, которая может оказывать различное влияние или вызывать опасения в различных областях применения и при проектировании антенн. Основные принципы поляризации применимы ко всем видам электромагнитного излучения, включая радиочастотное/беспроводное и оптическое, и часто используются в оптических приложениях.
Что такое поляризация антенны?
Прежде чем понять поляризацию, необходимо сначала разобраться в основных принципах электромагнитных волн. Эти волны состоят из электрических полей (полей E) и магнитных полей (полей H) и распространяются в одном направлении. Поля E и H перпендикулярны друг другу и направлению распространения плоской волны.
Поляризация рассматривается в плоскости электрического поля с точки зрения передатчика сигнала: при горизонтальной поляризации электрическое поле будет двигаться вбок в горизонтальной плоскости, а при вертикальной поляризации электрическое поле будет колебаться вверх и вниз в вертикальной плоскости (рисунок 1).
Рисунок 1: Электромагнитные энергетические волны состоят из взаимно перпендикулярных компонент поля E и H.
Линейная поляризация и круговая поляризация
К поляризационным режимам относятся следующие:
В базовой линейной поляризации две возможные поляризации ортогональны (перпендикулярны) друг другу (рис. 2). Теоретически, приемная антенна с горизонтальной поляризацией не «увидит» сигнал от антенны с вертикальной поляризацией и наоборот, даже если обе работают на одной частоте. Чем лучше они выровнены, тем больше сигнала улавливается, и передача энергии максимальна, когда поляризации совпадают.
Рисунок 2: Линейная поляризация обеспечивает два варианта поляризации, перпендикулярных друг другу.
Наклонная поляризация антенны — это разновидность линейной поляризации. Как и базовая горизонтальная и вертикальная поляризация, эта поляризация имеет смысл только в наземных условиях. Наклонная поляризация — это поляризация под углом ±45 градусов к горизонтальной плоскости отсчета. Хотя это, по сути, еще одна форма линейной поляризации, термин «линейная» обычно относится только к антеннам с горизонтальной или вертикальной поляризацией.
Несмотря на некоторые потери, передача (или прием) сигналов с помощью диагональной антенны возможна только с антеннами с горизонтальной или вертикальной поляризацией. Антенны с наклонной поляризацией полезны, когда поляризация одной или обеих антенн неизвестна или изменяется в процессе использования.
Круговая поляризация (КП) сложнее линейной поляризации. В этом режиме поляризация, представленная вектором электрического поля E, вращается по мере распространения сигнала. При вращении вправо (если смотреть со стороны передатчика) круговая поляризация называется правосторонней круговой поляризацией (ПЦП); при вращении влево — левосторонней круговой поляризацией (ЛЦП) (Рисунок 3).
Рисунок 3: При круговой поляризации вектор электрического поля электромагнитной волны вращается; это вращение может быть правосторонним или левосторонним.
Сигнал с круговой поляризацией (КП) состоит из двух ортогональных волн, находящихся в противофазе. Для генерации сигнала с КП необходимы три условия. Электрическое поле должно состоять из двух ортогональных компонент; эти две компоненты должны быть сдвинуты по фазе на 90 градусов и иметь одинаковую амплитуду. Простой способ генерации КП — использование спиральной антенны.
Эллиптическая поляризация (ЭП) — это разновидность круговой поляризации (КП). Эллиптически поляризованные волны — это усиление, создаваемое двумя линейно поляризованными волнами, подобными волнам КП. При слиянии двух взаимно перпендикулярных линейно поляризованных волн с неравными амплитудами образуется эллиптически поляризованная волна.
Несоответствие поляризации между антеннами описывается коэффициентом поляризационных потерь (КПП). Этот параметр выражается в децибелах (дБ) и является функцией разницы углов поляризации между передающей и приемной антеннами. Теоретически, КПП может варьироваться от 0 дБ (отсутствие потерь) для идеально выровненной антенны до бесконечности дБ (бесконечные потери) для идеально ортогональной антенны.
В действительности, однако, выравнивание (или невыравнивание) поляризации не идеально, поскольку механическое положение антенны, поведение пользователя, искажения канала, многолучевые отражения и другие явления могут вызывать некоторые угловые искажения передаваемого электромагнитного поля. Первоначально будет наблюдаться «утечка» сигнала в результате кросс-поляризации на 10–30 дБ и более от ортогональной поляризации, чего в некоторых случаях может быть достаточно, чтобы помешать восстановлению желаемого сигнала.
Напротив, фактическая частота ложных срабатываний (PLF) для двух выровненных антенн с идеальной поляризацией может составлять 10 дБ, 20 дБ или более, в зависимости от обстоятельств, и может препятствовать восстановлению сигнала. Другими словами, непреднамеренная перекрестная поляризация и частота ложных срабатываний могут работать в обе стороны, создавая помехи желаемому сигналу или снижая его мощность.
Почему вообще важна поляризация?
Поляризация работает в двух направлениях: чем точнее выровнены две антенны и чем одинакова их поляризация, тем выше мощность принимаемого сигнала. И наоборот, плохое выравнивание поляризации затрудняет для приемников, как для тех, кто планирует использовать антенну, так и для тех, кто этого не желает, захват достаточного количества интересующего сигнала. Во многих случаях «канал» искажает передаваемую поляризацию, или одна или обе антенны не находятся в фиксированном статическом направлении.
Выбор поляризации обычно определяется условиями установки или атмосферными условиями. Например, антенна с горизонтальной поляризацией будет работать лучше и сохранять свою поляризацию при установке вблизи потолка; наоборот, антенна с вертикальной поляризацией будет работать лучше и сохранять свои поляризационные характеристики при установке вблизи боковой стены.
Широко используемая дипольная антенна (простая или складная) имеет горизонтальную поляризацию в своем «обычном» положении при монтаже (рис. 4) и часто поворачивается на 90 градусов для принятия вертикальной поляризации при необходимости или для поддержки предпочтительного режима поляризации (рис. 5).
Рисунок 4: Дипольная антенна обычно устанавливается горизонтально на мачте для обеспечения горизонтальной поляризации.
Рисунок 5: Для применений, требующих вертикальной поляризации, дипольную антенну можно установить соответствующим образом, в месте захвата сигнала.
Вертикальная поляризация широко используется в портативных мобильных радиостанциях, например, в тех, что применяются службами экстренного реагирования, поскольку многие конструкции антенн с вертикальной поляризацией также обеспечивают всенаправленное излучение. Поэтому такие антенны не требуют переориентации даже при изменении направления радиостанции и антенны.
Высокочастотные (ВЧ) антенны с диапазоном частот 3–30 МГц обычно представляют собой простые длинные провода, натянутые горизонтально между кронштейнами. Их длина определяется длиной волны (10–100 м). Этот тип антенны имеет естественную горизонтальную поляризацию.
Стоит отметить, что термин «высокочастотный» для этого диапазона появился несколько десятилетий назад, когда 30 МГц действительно считались высокой частотой. Хотя сейчас это обозначение кажется устаревшим, оно является официальным обозначением Международного союза электросвязи и до сих пор широко используется.
Предпочтительная поляризация может быть определена двумя способами: либо с использованием наземных волн для более мощной передачи сигнала на короткие расстояния с помощью вещательного оборудования, работающего в средневолновом диапазоне 300 кГц - 3 МГц, либо с использованием небесных волн для передачи сигнала на большие расстояния через ионосферу. В целом, антенны с вертикальной поляризацией обеспечивают лучшее распространение наземных волн, а антенны с горизонтальной поляризацией — лучшее распространение небесных волн.
Круговая поляризация широко используется в спутниках, поскольку ориентация спутника относительно наземных станций и других спутников постоянно меняется. Эффективность работы передающей и приемной антенн максимальна, когда обе имеют круговую поляризацию, но антенны с линейной поляризацией также могут использоваться с антеннами с круговой поляризацией, хотя при этом возникает фактор потерь поляризации.
Поляризация также важна для систем 5G. Некоторые антенные решетки 5G с множественным входом/множественным выходом (MIMO) достигают повышенной пропускной способности за счет использования поляризации для более эффективного использования доступного спектра. Это достигается с помощью комбинации различных поляризаций сигнала и пространственного мультиплексирования антенн (пространственное разнесение).
Система может передавать два потока данных, поскольку эти потоки соединены независимыми ортогонально поляризованными антеннами и могут быть восстановлены независимо друг от друга. Даже если присутствует некоторая перекрестная поляризация из-за искажений пути и канала, отражений, многолучевого распространения и других несовершенств, приемник использует сложные алгоритмы для восстановления каждого исходного сигнала, что приводит к низкой частоте битовых ошибок (BER) и, в конечном итоге, к улучшению использования спектра.
в заключение
Поляризация — важная характеристика антенны, которую часто упускают из виду. Линейная (включая горизонтальную и вертикальную) поляризация, наклонная поляризация, круговая поляризация и эллиптическая поляризация используются для различных применений. Диапазон сквозных радиочастотных характеристик, которые может обеспечить антенна, зависит от ее относительной ориентации и выравнивания. Стандартные антенны имеют различную поляризацию и подходят для разных частей спектра, обеспечивая предпочтительную поляризацию для целевого применения.
Рекомендуемые товары:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Параметры | Типичный | Единицы |
| Диапазон частот | 20-30 | ГГц |
| Прирост | 15 Тип. | dBi |
| КСВР | 1.3 Тип. | |
| Поляризация | Двойной Линейный | |
| Изоляция перекрестной поляризации | 60 Тип. | dB |
| Изоляция порта | 70 Тип. | dB |
| Разъем | СМА-Fженщина | |
| Материал | Al | |
| Завершение | Краска | |
| Размер(Д*Ш*В) | 83.9*39.6*69.4(±5) | mm |
| Масса | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Элемент | Спецификация | Единица |
| Диапазон частот | 1-18 | ГГц |
| Прирост | 10 Тип. | dBi |
| КСВР | 1.5 Тип. | |
| Поляризация | Линейный | |
| Перекрестная изоляция | 30 Тип. | dB |
| Разъем | СМА-женщина | |
| Завершение | Pсвятой | |
| Материал | Al | |
| Размер(Д*Ш*В) | 182.4*185.1*116.6(±5) | mm |
| Масса | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Параметры | Типичный | Единицы |
| Диапазон частот | 2-18 | ГГц |
| Прирост | 15 Тип. | dBi |
| КСВР | 1.5 Тип. |
|
| Поляризация | Двойной Линейный |
|
| Изоляция перекрестной поляризации | 40 | dB |
| Изоляция порта | 40 | dB |
| Разъем | СМА-Ф |
|
| Обработка поверхности | Pсвятой |
|
| Размер(Д*Ш*В) | 276*147*147(±5) | mm |
| Масса | 0,945 | kg |
| Материал | Al |
|
| Рабочая температура | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Параметры | Типичный | Единицы |
| Диапазон частот | 93-95 | ГГц |
| Прирост | 22 Тип. | dBi |
| КСВР | 1.3 Тип. |
|
| Поляризация | Двойной Линейный |
|
| Изоляция перекрестной поляризации | 60 Тип. | dB |
| Изоляция порта | 67 Тип. | dB |
| Разъем | WR10 |
|
| Материал | Cu |
|
| Завершение | Золотой |
|
| Размер(Д*Ш*В) | 69.3*19.1*21.2 (±5) | mm |
| Масса | 0,015 | kg |
Дата публикации: 11 апреля 2024 г.
