Інженери-електроники знають, що антени надсилають і приймають сигнали у вигляді хвиль електромагнітної (ЕМ) енергії, що описуються рівняннями Максвелла. Як і в багатьох інших темах, ці рівняння, а також поширення та властивості електромагнетизму можна вивчати на різних рівняннях, від відносно якісних термінів до складних рівнянь.
Існує багато аспектів поширення електромагнітної енергії, одним з яких є поляризація, яка може мати різний ступінь впливу або занепокоєння в застосуваннях та конструкціях їхніх антен. Основні принципи поляризації застосовуються до всього електромагнітного випромінювання, включаючи радіочастотне/бездротове, оптичну енергію, і часто використовуються в оптичних застосуваннях.
Що таке поляризація антени?
Перш ніж зрозуміти поляризацію, нам потрібно спочатку зрозуміти основні принципи електромагнітних хвиль. Ці хвилі складаються з електричних полів (поля E) та магнітних полів (поля H) і рухаються в одному напрямку. Поля E та H перпендикулярні одне одному та напрямку поширення плоскої хвилі.
Поляризація стосується площини електричного поля з точки зору передавача сигналу: для горизонтальної поляризації електричне поле рухатиметься вбік у горизонтальній площині, тоді як для вертикальної поляризації електричне поле коливатиметься вгору та вниз у вертикальній площині (рисунок 1).
Рисунок 1: Електромагнітні хвилі складаються з взаємно перпендикулярних компонентів поля E та H
Лінійна поляризація та кругова поляризація
До режимів поляризації належать наступні:
У базовій лінійній поляризації дві можливі поляризації ортогональні (перпендикулярні) одна одній (Рисунок 2). Теоретично, горизонтально поляризована приймальна антена не «побачить» сигнал від вертикально поляризованої антени і навпаки, навіть якщо обидві працюють на одній частоті. Чим краще вони вирівняні, тим більше сигналу захоплюється, і передача енергії максимізується, коли поляризації збігаються.
Рисунок 2: Лінійна поляризація забезпечує два варіанти поляризації під прямим кутом один до одного
Коса поляризація антени є типом лінійної поляризації. Як і базова горизонтальна та вертикальна поляризація, ця поляризація має сенс лише в наземному середовищі. Коса поляризація знаходиться під кутом ±45 градусів до горизонтальної площини відліку. Хоча це насправді просто ще одна форма лінійної поляризації, термін «лінійний» зазвичай стосується лише горизонтально або вертикально поляризованих антен.
Незважаючи на деякі втрати, сигнали, що надсилаються (або приймаються) діагональною антеною, можливі лише за допомогою горизонтально або вертикально поляризованих антен. Антени з косо поляризацією корисні, коли поляризація однієї або обох антен невідома або змінюється під час використання.
Кругова поляризація (CP) є складнішою за лінійну поляризацію. У цьому режимі поляризація, представлена вектором поля E, обертається в міру поширення сигналу. При обертанні праворуч (якщо дивитися від передавача) кругова поляризація називається правосторонньою круговою поляризацією (RHCP); при обертанні ліворуч - лівосторонньою круговою поляризацією (LHCP) (Рисунок 3).
Рисунок 3: При круговій поляризації вектор поля E електромагнітної хвилі обертається; це обертання може бути правостороннім або лівостороннім.
Сигнал CP складається з двох ортогональних хвиль, які знаходяться поза фазою. Для генерації сигналу CP необхідні три умови. Поле E повинно складатися з двох ортогональних компонентів; ці два компоненти повинні бути розташовані поза фазою на 90 градусів і мати однакову амплітуду. Простий спосіб генерації CP - використовувати спіральну антену.
Еліптична поляризація (ЕП) – це тип КП. Еліптично поляризовані хвилі – це посилення, що виникає внаслідок дії двох лінійно поляризованих хвиль, таких як КП-хвилі. Коли дві взаємно перпендикулярні лінійно поляризовані хвилі з нерівними амплітудами об'єднуються, утворюється еліптично поляризована хвиля.
Невідповідність поляризації між антенами описується коефіцієнтом поляризаційних втрат (PLF). Цей параметр виражається в децибелах (дБ) і є функцією різниці кутів поляризації між передавальною та приймальною антенами. Теоретично, PLF може коливатися від 0 дБ (без втрат) для ідеально вирівняної антени до нескінченного дБ (нескінченні втрати) для ідеально ортогональної антени.
Однак насправді вирівнювання (або зміщення) поляризації не є ідеальним, оскільки механічне положення антени, поведінка користувача, спотворення каналу, багатопроменеві відбиття та інші явища можуть спричинити деяке кутове спотворення переданого електромагнітного поля. Спочатку буде 10-30 дБ або більше "витоку" сигналу через перехресну поляризацію з ортогональної поляризації, чого в деяких випадках може бути достатньо, щоб перешкодити відновленню потрібного сигналу.
Натомість, фактичний коефіцієнт частотної поляризації (ФЧЛ) для двох вирівняних антен з ідеальною поляризацією може становити 10 дБ, 20 дБ або більше, залежно від обставин, і може перешкоджати відновленню сигналу. Іншими словами, ненавмисна перехресна поляризація та ФЧЛ можуть працювати в обидва боки, заважаючи бажаному сигналу або зменшуючи бажану силу сигналу.
Чому варто звертати увагу на поляризацію?
Поляризація працює двома способами: чим більше вирівняні дві антени та мають однакову поляризацію, тим краща сила прийнятого сигналу. І навпаки, погане вирівнювання поляризації ускладнює для приймачів, як передбачених, так і незадоволених, захоплення достатньої кількості сигналу, що цікавить. У багатьох випадках "канал" спотворює поляризацію передачі, або одна або обидві антени не мають фіксованого статичного напрямку.
Вибір поляризації зазвичай визначається умовами встановлення або атмосферними умовами. Наприклад, горизонтально поляризована антена працюватиме краще та збереже свою поляризацію, якщо її встановити біля стелі; навпаки, вертикально поляризована антена працюватиме краще та збереже свою поляризацію, якщо її встановити біля бічної стіни.
Широко використовувана дипольна антена (звичайна або складена) має горизонтальну поляризацію у своїй «нормальній» монтажній позиції (рис. 4) і часто повертається на 90 градусів, щоб за потреби досягти вертикальної поляризації або підтримати бажаний режим поляризації (рис. 5).
Рисунок 4: Дипольна антена зазвичай встановлюється горизонтально на щоглі для забезпечення горизонтальної поляризації.
Рисунок 5: Для застосувань, що вимагають вертикальної поляризації, дипольну антену можна встановити відповідно до положення антени.
Вертикальна поляризація зазвичай використовується для портативних мобільних радіостанцій, таких як ті, що використовуються службами швидкого реагування, оскільки багато конструкцій вертикально поляризованих радіоантен також забезпечують всеспрямовану діаграму спрямованості. Тому такі антени не потрібно переорієнтовувати, навіть якщо напрямок радіо та антени змінюється.
Високочастотні (КВ) антени діапазону 3–30 МГц зазвичай конструюються як прості довгі дроти, натягнуті горизонтально між кронштейнами. Їхня довжина визначається довжиною хвилі (10–100 м). Цей тип антени має природну горизонтальну поляризацію.
Варто зазначити, що називати цей діапазон «високочастотним» почали десятиліття тому, коли 30 МГц справді вважалися високочастотними. Хоча цей опис зараз видається застарілим, це офіційне позначення Міжнародного союзу телекомунікацій, яке досі широко використовується.
Бажану поляризацію можна визначити двома способами: або за допомогою наземних хвиль для сильнішої передачі сигналів на короткі відстані за допомогою радіомовного обладнання, що використовує діапазон середніх хвиль (СХ) 300 кГц - 3 МГц, або за допомогою небесних хвиль для більших відстаней через іоносферний канал. Загалом кажучи, вертикально поляризовані антени мають краще поширення наземних хвиль, тоді як горизонтально поляризовані антени мають кращі характеристики поширення небесних хвиль.
Кругова поляризація широко використовується для супутників, оскільки орієнтація супутника відносно наземних станцій та інших супутників постійно змінюється. Ефективність між передавальною та приймальною антенами найбільша, коли обидві мають кругову поляризацію, але лінійно поляризовані антени можна використовувати з CP-антенами, хоча існує коефіцієнт втрат поляризації.
Поляризація також важлива для систем 5G. Деякі антенні решітки 5G з кількома входами/виходами (MIMO) досягають підвищеної пропускної здатності за рахунок поляризації для більш ефективного використання доступного спектру. Це досягається за допомогою комбінації різних поляризацій сигналу та просторового мультиплексування антен (просторове рознесення).
Система може передавати два потоки даних, оскільки потоки даних з'єднані незалежними ортогонально поляризованими антенами та можуть бути відновлені незалежно. Навіть якщо існує певна перехресна поляризація через спотворення шляху та каналу, відбиття, багатопроменевість та інші недоліки, приймач використовує складні алгоритми для відновлення кожного вихідного сигналу, що призводить до низького коефіцієнта помилок у бітах (BER) та, зрештою, покращеного використання спектру.
на завершення
Поляризація – це важлива властивість антени, яку часто не враховують. Лінійна (включаючи горизонтальну та вертикальну) поляризація, коса поляризація, кругова поляризація та еліптична поляризація використовуються для різних застосувань. Діапазон наскрізної радіочастотної характеристики, яку може досягти антена, залежить від її відносної орієнтації та вирівнювання. Стандартні антени мають різну поляризацію та підходять для різних частин спектру, забезпечуючи бажану поляризацію для цільового застосування.
Рекомендовані продукти：
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Параметри | Типовий | Одиниці |
| Діапазон частот | 20-30 | ГГц |
| Посилення | 15 Тип. | dBi |
| КСХН | 1.3 Тип. | |
| Поляризація | Подвійний Лінійний | |
| Перехресна полярна ізоляція | 60 Тип. | dB |
| Ізоляція портів | 70 Тип. | dB |
| З'єднувач | СМА-Fелектронний чоловік | |
| Матеріал | Al | |
| Оздоблення | Фарба | |
| Розмір(Д*Ш*В) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Вага | 0,074 | kg |
| RM-БДХА118-10 | ||
| Елемент | Специфікація | Одиниця |
| Діапазон частот | 1-18 | ГГц |
| Посилення | 10 Тип. | dBi |
| КСХН | 1,5 Тип. | |
| Поляризація | Лінійний | |
| Крос-поштова ізоляція | 30 Тип. | dB |
| З'єднувач | СМА-жінка | |
| Оздоблення | Pнемає | |
| Матеріал | Al | |
| Розмір(Д*Ш*В) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
| Вага | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Параметри | Типовий | Одиниці |
| Діапазон частот | 2-18 | ГГц |
| Посилення | 15 Тип. | dBi |
| КСХН | 1,5 Тип. |
|
| Поляризація | Подвійний Лінійний |
|
| Перехресна полярна ізоляція | 40 | dB |
| Ізоляція портів | 40 | dB |
| З'єднувач | SMA-F |
|
| Обробка поверхні | Pнемає |
|
| Розмір(Д*Ш*В) | 276*147*147(±5) | mm |
| Вага | 0,945 | kg |
| Матеріал | Al |
|
| Робоча температура | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Параметри | Типовий | Одиниці |
| Діапазон частот | 93-95 | ГГц |
| Посилення | 22 Тип. | dBi |
| КСХН | 1.3 Тип. |
|
| Поляризація | Подвійний Лінійний |
|
| Перехресна полярна ізоляція | 60 Тип. | dB |
| Ізоляція портів | 67 Тип. | dB |
| З'єднувач | WR10 |
|
| Матеріал | Cu |
|
| Оздоблення | Золотий |
|
| Розмір(Д*Ш*В) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Вага | 0,015 | kg |
Час публікації: 11 квітня 2024 р.
