Инженеры-электронщики знают, что антенны посылают и принимают сигналы в форме волн электромагнитной (ЭМ) энергии, описываемой уравнениями Максвелла. Как и во многих других темах, эти уравнения и распространение, свойства электромагнетизма можно изучать на разных уровнях, от относительно качественных терминов до сложных уравнений.
Существует много аспектов распространения электромагнитной энергии, одним из которых является поляризация, которая может иметь различную степень влияния или беспокойства в приложениях и их конструкциях антенн. Основные принципы поляризации применимы ко всему электромагнитному излучению, включая радиочастотное/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 (полей E) и магнитных полей (полей H) и движутся в одном направлении. Поля E и H 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 (рисунок 2). Теоретически горизонтально поляризованная приемная антенна не «увидит» сигнал от вертикально поляризованной антенны и наоборот, даже если обе работают на одной частоте. Чем лучше они выровнены, тем больше сигнала улавливается, и передача энергии максимизируется, когда поляризации совпадают.
Рисунок 2: Линейная поляризация обеспечивает два варианта поляризации под прямым углом друг к другу.
Косая поляризация антенны является типом линейной поляризации. Как и базовая горизонтальная и вертикальная поляризация, эта поляризация имеет смысл только в наземной среде. Косая поляризация находится под углом ±45 градусов к горизонтальной плоскости отсчета. Хотя это на самом деле просто еще одна форма линейной поляризации, термин «линейный» обычно относится только к горизонтально или вертикально поляризованным антеннам.
Несмотря на некоторые потери, сигналы, отправленные (или полученные) диагональной антенной, возможны только с горизонтально или вертикально поляризованными антеннами. Антенны с косой поляризацией полезны, когда поляризация одной или обеих антенн неизвестна или изменяется во время использования.
Круговая поляризация (CP) сложнее линейной поляризации. В этом режиме поляризация, представленная вектором поля E, вращается по мере распространения сигнала. При вращении вправо (если смотреть со стороны передатчика) круговая поляризация называется правосторонней круговой поляризацией (RHCP); при вращении влево — левосторонней круговой поляризацией (LHCP) (рисунок 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, которые не совпадают по фазе. Для генерации сигнала CP необходимы три условия. Поле E должно состоять из двух ортогональных компонентов; два компонента должны быть сдвинуты по фазе на 90 градусов и иметь одинаковую амплитуду. Простой способ генерации CP — использовать спиральную антенну.
Эллиптическая поляризация (ЭП) — это тип КП. Эллиптически поляризованные волны — это усиление, создаваемое двумя линейно поляризованными волнами, как и КП-волны. Когда две взаимно перпендикулярные линейно поляризованные волны с неравными амплитудами объединяются, получается эллиптически поляризованная волна.
Рассогласование поляризации между антеннами описывается коэффициентом потерь поляризации (PLF). Этот параметр выражается в децибелах (дБ) и является функцией разницы в угле поляризации между передающей и принимающей антеннами. 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 несовпадение) поляризации не является идеальным, поскольку механическое положение антенны, поведение пользователя, искажение канала, многолучевые отражения и другие явления могут вызывать некоторые угловые искажения передаваемого электромагнитного поля. Первоначально будет 10 - 30 дБ или более кросс-поляризационной "утечки" сигнала от ортогональной поляризации, что в некоторых случаях может быть достаточным для помех при восстановлении нужного сигнала.
Напротив, фактический PLF для двух выровненных антенн с идеальной поляризацией может быть 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, мешая желаемому сигналу или уменьшая желаемую силу сигнала.
Почему стоит беспокоиться о поляризации?
Поляризация работает двумя способами: чем лучше выровнены две антенны и имеют одинаковую поляризацию, тем выше сила принимаемого сигнала. И наоборот, плохое выравнивание поляризации затрудняет приемникам, намеренным или неудовлетворенным, захват достаточного количества интересующего сигнала. Во многих случаях «канал» искажает передаваемую поляризацию, или одна или обе антенны не находятся в фиксированном статическом направлении.
Выбор используемой поляризации обычно определяется установкой или атмосферными условиями. Например, горизонтально поляризованная антенна будет работать лучше и сохранять свою поляризацию при установке около потолка; и наоборот, вертикально поляризованная антенна будет работать лучше и сохранять свою поляризацию при установке около боковой стены.
Широко используемая дипольная антенна (простая или складная) имеет горизонтальную поляризацию в своей «нормальной» ориентации установки (рисунок 4) и часто поворачивается на 90 градусов, чтобы принять вертикальную поляризацию, когда это необходимо, 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, дипольную антенну можно установить соответствующим образом там, где она улавливает сигнал.
Вертикальная поляризация обычно используется для портативных мобильных радиостанций, например, тех, которые используют спасатели, поскольку многие конструкции вертикально поляризованных радиоантенн также обеспечивают всенаправленную диаграмму направленности. Поэтому такие антенны не нужно переориентировать, даже если направление радиостанции и антенны меняется.
Антенны высокой частоты (HF) 3 - 30 МГц обычно изготавливаются в виде простых длинных проводов, натянутых горизонтально между кронштейнами. Их длина определяется длиной волны (10 - 100 м). Этот тип антенны имеет естественную горизонтальную поляризацию.
Стоит отметить, что называть эту полосу «высокой частотой» начали десятилетия 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.
Предпочтительная поляризация может быть определена двумя способами: либо с использованием земных волн для более сильной передачи сигналов на короткие расстояния с помощью вещательного оборудования, использующего диапазон средних волн (СВ) 300 кГц - 3 МГц, либо с использованием небесных волн для более дальних расстояний через ионосферный канал. Вообще говоря, вертикально поляризованные антенны имеют лучшее распространение земных волн, в то время как горизонтально поляризованные антенны имеют лучшие характеристики небесных волн.
Круговая поляризация широко используется для спутников, поскольку ориентация спутника относительно наземных станций и других спутников постоянно меняется. Эффективность между передающей и приемной антеннами наибольшая, когда обе имеют круговую поляризацию, но линейно поляризованные антенны могут использоваться с антеннами CP, хотя есть фактор потерь на поляризацию.
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 (пространственного разнесения).
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 искажения пути и канала, отражений, многолучевого распространения и других недостатков, приемник использует сложные алгоритмы для восстановления каждого исходного сигнала, что приводит к низкому уровню ошибок по битам (BER) и, в конечном счете, к улучшенному использованию 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 разные поляризации и подходят для разных частей спектра, обеспечивая предпочтительную поляризацию для целевого приложения.
Рекомендуемые продукты：
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Параметры | Типичный | Единицы |
| Диапазон частот | 20-30 | ГГц |
| Прирост | 15 Тип. | dBi |
| КСВН | 1.3 Тип. | |
| Поляризация | Двойной Линейный | |
| Кросс-поляризационная изоляция | 60 Тип. | dB |
| Изоляция порта | 70 Тип. | dB |
| Соединитель | СМА-Fсамец | |
| 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 |
| КСВН | 1,5 Тип. | |
| Поляризация | Линейный | |
| Кросс-По. Изоляция | 30 Тип. | dB |
| Соединитель | SMA-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 |
| КСВН | 1,5 Тип. |
|
| Поляризация | Двойной Линейный |
|
| Кросс-поляризационная изоляция | 40 | dB |
| Изоляция порта | 40 | dB |
| Соединитель | 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 |
| КСВН | 1.3 Тип. |
|
| Поляризация | Двойной Линейный |
|
| Кросс-поляризационная изоляция | 60 Тип. | dB |
| Изоляция порта | 67 Тип. | dB |
| Соединитель | ВР10 |
|
| 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.
