Инженеры-электронщики знают, что антенны передают и принимают сигналы в виде волн электромагнитной энергии, описываемых уравнениями Максвелла. Как и многие другие темы, эти уравнения, а также свойства распространения электромагнитных волн, можно изучать на разных уровнях, от относительно качественных до сложных уравнений.
Распространение электромагнитной энергии связано со многими аспектами, одним из которых является поляризация, которая может оказывать различное влияние или вызывать опасения в различных приложениях и конструкциях антенн. Основные принципы поляризации применимы ко всему электромагнитному излучению, включая радиочастотное/беспроводное и оптическое излучение, и часто используются в оптических приложениях.
Что такое поляризация антенны?
Прежде чем изучать поляризацию, необходимо понять основные принципы электромагнитных волн. Эти волны состоят из электрических (электрических) и магнитных (магнитных) полей и движутся в одном направлении. Электрические и магнитные поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения плоской волны.
Поляризация относится к плоскости электрического 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: Электромагнитные энергетические волны состоят из взаимно перпендикулярных компонент поля E и H.
Линейная поляризация и круговая поляризация
К режимам поляризации относятся следующие:
В базовой линейной поляризации две возможные поляризации ортогональны (перпендикулярны) друг другу (рис. 2). Теоретически, приёмная антенна с горизонтальной поляризацией не «увидит» сигнал от антенны с вертикальной поляризацией, и наоборот, даже если обе работают на одной частоте. Чем лучше они согласованы, тем больше сигнала улавливается, и тем максимальна передача энергии при совпадении поляризаций.
Рисунок 2: Линейная поляризация обеспечивает два варианта поляризации, расположенных перпендикулярно друг другу.
Наклонная поляризация антенны является разновидностью линейной поляризации. Как и базовая горизонтальная и вертикальная поляризация, эта поляризация имеет смысл только в наземных условиях. Наклонная поляризация представляет собой угол ±45 градусов к горизонтальной плоскости отсчёта. Хотя это, по сути, всего лишь один из видов 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 с антеннами с горизонтальной или вертикальной поляризацией. Антенны с косой поляризацией полезны, когда поляризация одной или обеих антенн неизвестна или изменяется в процессе использования.
Круговая поляризация (КП) сложнее линейной. В этом режиме поляризация, представленная вектором электрического поля, вращается по мере распространения сигнала. При повороте вправо (со стороны передатчика) круговая поляризация называется правосторонней круговой поляризацией (ПЦП), а при повороте влево — левосторонней круговой поляризацией (ЛЦП) (рис. 3).
Рисунок 3: При круговой поляризации вектор электрического поля электромагнитной волны вращается; это вращение может быть правым или левым.
Сигнал CP состоит из двух ортогональных волн, сдвинутых по фазе. Для генерации сигнала CP необходимы три условия. Электрическое поле должно состоять из двух ортогональных компонент; эти компоненты должны быть сдвинуты по фазе на 90 градусов и иметь одинаковую амплитуду. Простой способ генерации сигнала CP — использование спиральной антенны.
Эллиптическая поляризация (ЭП) — это разновидность эллиптической поляризации (КП). Эллиптически поляризованные волны представляют собой результат усиления, создаваемого двумя линейно поляризованными волнами, подобно КП-волнам. При сложении 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 зависит от разницы углов поляризации передающей и приёмной антенн. Теоретически PLF может варьироваться от 0 дБ (без потерь) для идеально выровненной антенны до бесконечности дБ (бесконечные потери) для идеально ортогональной антенны.
Однако в действительности выравнивание (или рассогласование) поляризации не является идеальным, поскольку механическое положение антенны, поведение пользователя, искажения канала, многолучевые отражения и другие явления могут вызывать угловые искажения передаваемого электромагнитного поля. Первоначально кроссполяризационная «просачивание» сигнала от ортогональной поляризации составит 10–30 дБ или более, что в некоторых случаях может быть достаточно для помех при восстановлении полезного сигнала.
Напротив, фактическая кросс-поляризация (ФП) 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 кросс-поляризация и ФП могут работать в обоих направлениях, создавая помехи для полезного сигнала или снижая его мощность.
Зачем беспокоиться о поляризации?
Поляризация действует двумя способами: чем лучше выровнены две антенны и имеют одинаковую поляризацию, тем выше мощность принимаемого сигнала. Напротив, плохое выравнивание поляризации затрудняет приёмникам, намеренно или нет, захват необходимого сигнала. Во многих случаях «канал» искажает передаваемую поляризацию, или одна или обе антенны не имеют фиксированного статического направления.
Выбор используемой поляризации обычно определяется особенностями установки или атмосферными условиями. Например, антенна с горизонтальной поляризацией будет работать лучше и сохранять поляризацию при установке у потолка; и наоборот, антенна с вертикальной поляризацией будет работать лучше и сохранять поляризацию при установке у боковой стены.
Широко используемая дипольная антенна (обычная или складная) имеет горизонтальную поляризацию в «нормальном» положении установки (рисунок 4) и часто поворачивается на 90 градусов для обеспечения вертикальной поляризации при необходимости или для поддержки предпочтительного режима поляризации (рисунок 5).
Рисунок 4: Дипольная антенна обычно устанавливается горизонтально на мачте для обеспечения горизонтальной поляризации.
Рисунок 5: Для приложений, требующих вертикальной поляризации, дипольная антенна может быть установлена соответствующим образом там, где она улавливает сигнал.
Вертикальная поляризация широко используется в портативных мобильных радиостанциях, например, используемых службами быстрого реагирования, поскольку многие конструкции антенн с вертикальной поляризацией также обеспечивают всенаправленную диаграмму направленности. Поэтому такие антенны не требуют переориентации даже при изменении направления радиостанции и антенны.
Высокочастотные (КВ) антенны диапазона 3–30 МГц обычно представляют собой простые длинные провода, горизонтально натянутые между кронштейнами. Их длина определяется длиной волны (10–100 м). Этот тип антенн имеет естественную горизонтальную поляризацию.
Стоит отметить, что называть этот диапазон «высокой частотой» начали десятилетия назад, когда частота 30 МГц действительно была высокой. Хотя это определение сейчас, по-видимому, устарело, оно является официальным обозначением Международного союза электросвязи и до сих пор широко используется.
Предпочтительная поляризация может быть определена двумя способами: либо с использованием земных волн для усиления сигнала на коротких расстояниях с помощью вещательного оборудования, работающего в диапазоне средних волн (СВ) 300 кГц - 3 МГц, либо с использованием пространственных волн для передачи на большие расстояния через ионосферный канал связи. Как правило, антенны с вертикальной поляризацией лучше распространяют земные волны, в то время как антенны с горизонтальной поляризацией — пространственные волны.
Круговая поляризация широко используется для спутников, поскольку ориентация спутника относительно наземных станций и других спутников постоянно меняется. Эффективность взаимодействия передающей и приёмной антенн достигает максимума, когда обе имеют круговую поляризацию, но антенны с линейной поляризацией могут использоваться вместе с антеннами CP, хотя при этом возникают потери на поляризацию.
Поляризация также важна для систем 5G. Некоторые антенные решетки 5G с многоканальным входом и многоканальным выходом (MIMO) обеспечивают повышенную пропускную способность за счёт поляризации, что позволяет более эффективно использовать доступный спектр. Это достигается за счёт комбинации различных поляризаций сигнала и пространственного мультиплексирования антенн (пространственного разнесения).
Система может передавать два потока данных, поскольку они соединены независимыми ортогонально поляризованными антеннами и могут восстанавливаться независимо. Даже при наличии кросс-поляризации, вызванной искажениями в тракте и канале, отражениями, многолучевым распространением и другими дефектами, приёмник использует сложные алгоритмы для восстановления каждого исходного сигнала, что обеспечивает низкий уровень битовых ошибок (BER) и, в конечном итоге, более эффективное использование спектра.
в заключение
Поляризация — важное свойство антенны, которое часто упускают из виду. Линейная (включая горизонтальную и вертикальную), косая, круговая и эллиптическая поляризация используются в различных приложениях. Диапазон сквозных радиочастотных характеристик антенны зависит от её относительной ориентации и юстировки. Стандартные антенны имеют различные типы поляризации и подходят для разных участков спектра, обеспечивая предпочтительную поляризацию для целевого применения.
Рекомендуемые продукты:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Параметры | Типичный | Единицы |
| Диапазон частот | 20-30 | ГГц |
| Прирост | 15 Тип. | dBi |
| КСВ | 1.3 Тип. | |
| Поляризация | Двойной Линейный | |
| Кросс-поляризационная изоляция | 60 Тип. | dB |
| Изоляция порта | 70 Тип. | dB |
| Разъем | СМА-Fженщина | |
| 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 |
| Диапазон частот | 1-18 | ГГц |
| Прирост | 10 Тип. | dBi |
| КСВ | 1.5 Тип. | |
| Поляризация | Линейный | |
| Кросс-По. Изоляция | 30 Тип. | dB |
| Разъем | СМА-женщина | |
| 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 |
| Диапазон частот | 2-18 | ГГц |
| Прирост | 15 Тип. | dBi |
| КСВ | 1.5 Тип. |
|
| Поляризация | Двойной Линейный |
|
| Кросс-поляризационная изоляция | 40 | dB |
| Изоляция порта | 40 | dB |
| Разъем | SMA-F |
|
| Обработка поверхности | Pнет |
|
| 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 |
| КСВ | 1.3 Тип. |
|
| Поляризация | Двойной Линейный |
|
| Кросс-поляризационная изоляция | 60 Тип. | dB |
| Изоляция порта | 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.
