Elektroničtí inženýři vědí, že antény vysílají a přijímají signály ve formě vln elektromagnetické (EM) energie popsané Maxwellovými rovnicemi. Stejně jako u mnoha jiných témat lze tyto rovnice a šíření, tedy vlastnosti elektromagnetismu, studovat na různých úrovních, od relativně kvalitativních pojmů až po složité rovnice.
Existuje mnoho aspektů šíření elektromagnetické energie, jedním z nich je polarizace, která může mít různý stupeň dopadu nebo obav v aplikacích a jejich konstrukci antén. Základní principy polarizace platí pro veškeré elektromagnetické záření, včetně vysokofrekvenčního/bezdrátového, optické energie a často se používají v optických aplikacích.
Co je to polarizace antény?
Než pochopíme polarizaci, musíme nejprve pochopit základní principy elektromagnetických vln. Tyto vlny se skládají z elektrických polí (pole E) a magnetických polí (pole H) a pohybují se jedním směrem. Pole E a H jsou na sebe navzájem kolmá a na směr šíření rovinné vlny.
Polarizace se vztahuje k rovině elektrického pole z pohledu vysílače signálu: při horizontální polarizaci se elektrické pole pohybuje do stran v horizontální rovině, zatímco při vertikální polarizaci bude elektrické pole kmitat nahoru a dolů ve vertikální rovině (obrázek 1).
Obrázek 1: Elektromagnetické energetické vlny se skládají ze vzájemně kolmých složek pole E a H
Lineární polarizace a kruhová polarizace
Mezi polarizační režimy patří:
V základní lineární polarizaci jsou dvě možné polarizace na sebe ortogonální (kolmé) (obrázek 2). Teoreticky horizontálně polarizovaná přijímací anténa „nevidí“ signál z vertikálně polarizované antény a naopak, i když obě pracují na stejné frekvenci. Čím lépe jsou zarovnány, tím více signálu je zachyceno a přenos energie je maximalizován, když se polarizace shodují.
Obrázek 2: Lineární polarizace nabízí dvě možnosti polarizace, které jsou vzájemně kolmé.
Šikmá polarizace antény je typem lineární polarizace. Stejně jako základní horizontální a vertikální polarizace má tato polarizace smysl pouze v pozemním prostředí. Šikmá polarizace svírá úhel ±45 stupňů s horizontální referenční rovinou. I když se ve skutečnosti jedná jen o další formu lineární polarizace, termín „lineární“ se obvykle vztahuje pouze na horizontálně nebo vertikálně polarizované antény.
Přes určité ztráty jsou signály vysílané (nebo přijímané) diagonální anténou proveditelné pouze s horizontálně nebo vertikálně polarizovanými anténami. Šikmo polarizované antény jsou užitečné, když je polarizace jedné nebo obou antén neznámá nebo se během používání mění.
Kruhová polarizace (CP) je složitější než lineární polarizace. V tomto režimu se polarizace reprezentovaná vektorem pole E otáčí s šířením signálu. Při otočení doprava (při pohledu ven z vysílače) se kruhová polarizace nazývá pravotočivá kruhová polarizace (RHCP); při otočení doleva se nazývá levotočivá kruhová polarizace (LHCP) (obrázek 3).
Obrázek 3: V kruhové polarizaci se vektor pole E elektromagnetické vlny otáčí; tato rotace může být pravotočivá nebo levotočivá
Signál CP se skládá ze dvou ortogonálních vln, které jsou mimo fázi. Pro generování signálu CP jsou nutné tři podmínky. Pole E se musí skládat ze dvou ortogonálních složek; tyto dvě složky musí být mimo fázi o 90 stupňů a mít stejnou amplitudu. Jednoduchý způsob, jak generovat CP, je použití spirálové antény.
Eliptická polarizace (EP) je typ CP. Elipticky polarizované vlny jsou zesílením produkovaným dvěma lineárně polarizovanými vlnami, podobně jako CP vlny. Když se spojí dvě vzájemně kolmé lineárně polarizované vlny s nestejnou amplitudou, vznikne elipticky polarizovaná vlna.
Nesoulad polarizace mezi anténami je popsán faktorem polarizačních ztrát (PLF). Tento parametr se vyjadřuje v decibelech (dB) a je funkcí rozdílu polarizačního úhlu mezi vysílací a přijímací anténou. Teoreticky se PLF může pohybovat od 0 dB (bez ztrát) pro dokonale zarovnanou anténu do nekonečna dB (nekonečné ztráty) pro dokonale ortogonální anténu.
Ve skutečnosti však není zarovnání (nebo špatné zarovnání) polarizace dokonalé, protože mechanická poloha antény, chování uživatele, zkreslení kanálu, vícecestné odrazy a další jevy mohou způsobit určité úhlové zkreslení vysílaného elektromagnetického pole. Zpočátku bude docházet k „úniku“ signálu křížovou polarizací 10–30 dB nebo více z ortogonální polarizace, což v některých případech může stačit k narušení obnovy požadovaného signálu.
Naproti tomu skutečná PLF pro dvě zarovnané antény s ideální polarizací může být 10 dB, 20 dB nebo vyšší, v závislosti na okolnostech, a může bránit obnově signálu. Jinými slovy, nezamýšlená křížová polarizace a PLF mohou fungovat oběma směry, a to buď interferováním s požadovaným signálem, nebo snižováním požadované síly signálu.
Proč se zajímat o polarizaci?
Polarizace funguje dvěma způsoby: čím více jsou dvě antény zarovnány a mají stejnou polarizaci, tím lepší je síla přijímaného signálu. Naopak špatné zarovnání polarizace ztěžuje přijímačům, ať už zamýšleným nebo nespokojeným, zachycení dostatečného množství sledovaného signálu. V mnoha případech „kanál“ zkresluje vysílanou polarizaci nebo jedna či obě antény nejsou v pevném statickém směru.
Volba polarizace je obvykle určena instalací nebo atmosférickými podmínkami. Například horizontálně polarizovaná anténa bude mít lepší výkon a udrží si polarizaci, pokud je instalována blízko stropu; naopak vertikálně polarizovaná anténa bude mít lepší výkon a udrží si polarizační výkon, pokud je instalována blízko boční stěny.
Široce používaná dipólová anténa (hladká nebo složená) je ve své „normální“ montážní orientaci horizontálně polarizována (obrázek 4) a často je otočena o 90 stupňů, aby v případě potřeby dosáhla vertikální polarizace nebo aby podpořila preferovaný polarizační režim (obrázek 5).
Obrázek 4: Dipólová anténa je obvykle namontována vodorovně na stožáru, aby zajistila horizontální polarizaci.
Obrázek 5: Pro aplikace vyžadující vertikální polarizaci lze dipólovou anténu namontovat odpovídajícím způsobem tam, kde anténa zachytí
Vertikální polarizace se běžně používá u ručních mobilních rádií, jako jsou ta používaná záchrannými složkami, protože mnoho vertikálně polarizovaných rádiových antén také poskytuje všesměrový vyzařovací diagram. Tyto antény proto není nutné přeorientovávat, i když se změní směr rádia a antény.
Vysokofrekvenční (HF) antény v pásmu 3–30 MHz jsou obvykle konstruovány jako jednoduché dlouhé dráty navlečené horizontálně mezi držáky. Jejich délka je určena vlnovou délkou (10–100 m). Tento typ antény je přirozeně horizontálně polarizován.
Za zmínku stojí, že označování tohoto pásma jako „vysokofrekvenčního“ začalo před desítkami let, kdy 30 MHz skutečně představovalo vysokou frekvenci. Ačkoli se tento popis dnes jeví jako zastaralý, jedná se o oficiální označení Mezinárodní telekomunikační unie a stále se široce používá.
Preferovanou polarizaci lze určit dvěma způsoby: buď použitím pozemních vln pro silnější signalizaci na krátkou vzdálenost vysílacím zařízením využívajícím pásmo středních vln (MW) 300 kHz - 3 MHz, nebo použitím nebeských vln pro delší vzdálenosti přes ionosférický spoj. Obecně řečeno, vertikálně polarizované antény mají lepší šíření pozemních vln, zatímco horizontálně polarizované antény mají lepší výkon pro šíření nebeských vln.
Kruhová polarizace se u satelitů široce používá, protože orientace satelitu vzhledem k pozemním stanicím a dalším satelitům se neustále mění. Účinnost mezi vysílací a přijímací anténou je největší, když jsou obě kruhově polarizované, ale lineárně polarizované antény lze použít s CP anténami, i když existuje faktor ztráty polarizace.
Polarizace je důležitá i pro systémy 5G. Některé anténní soustavy 5G s více vstupy/více výstupy (MIMO) dosahují zvýšené propustnosti pomocí polarizace pro efektivnější využití dostupného spektra. Toho je dosaženo kombinací různých polarizací signálu a prostorového multiplexování antén (prostorová diverzita).
Systém dokáže přenášet dva datové toky, protože datové toky jsou propojeny nezávislými ortogonálně polarizovanými anténami a lze je nezávisle obnovit. I když existuje určitá křížová polarizace v důsledku zkreslení dráhy a kanálu, odrazů, vícecestného šíření a dalších nedokonalostí, přijímač využívá sofistikované algoritmy k obnovení každého původního signálu, což vede k nízké míře chybovosti bitů (BER) a v konečném důsledku ke zlepšenému využití spektra.
na závěr
Polarizace je důležitá vlastnost antény, která je často přehlížena. Lineární (včetně horizontální a vertikální) polarizace, šikmá polarizace, kruhová polarizace a eliptická polarizace se používají pro různé aplikace. Rozsah RF výkonu mezi konci, kterého může anténa dosáhnout, závisí na její relativní orientaci a zarovnání. Standardní antény mají různé polarizace a jsou vhodné pro různé části spektra, čímž poskytují preferovanou polarizaci pro cílovou aplikaci.
Doporučené produkty：
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parametry | Typický | Jednotky |
| Frekvenční rozsah | 20–30 | GHz |
| Získat | 15 Typ. | dBi |
| PSV | 1,3 Typ. | |
| Polarizace | Dvojí Lineární | |
| Křížová polární izolace | 60 Typ. | dB |
| Izolace portů | 70 Typ. | dB |
| Konektor | SMA-Fe-mail | |
| Materiál | Al | |
| Dokončování | Malovat | |
| Velikost(D*Š*V) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Hmotnost | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Položka | Specifikace | Jednotka |
| Frekvenční rozsah | 1–18 | GHz |
| Získat | 10 Typ. | dBi |
| PSV | 1,5 Typ. | |
| Polarizace | Lineární | |
| Izolace Cross Po | 30 Typ. | dB |
| Konektor | SMA-žena | |
| Dokončování | Pnení | |
| Materiál | Al | |
| Velikost(D*Š*V) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
| Hmotnost | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Parametry | Typický | Jednotky |
| Frekvenční rozsah | 2–18 | GHz |
| Získat | 15 Typ. | dBi |
| PSV | 1,5 Typ. |
|
| Polarizace | Dvojí Lineární |
|
| Křížová polární izolace | 40 | dB |
| Izolace portů | 40 | dB |
| Konektor | SMA-F |
|
| Povrchová úprava | Pnení |
|
| Velikost(D*Š*V) | 276*147*147(±5) | mm |
| Hmotnost | 0,945 | kg |
| Materiál | Al |
|
| Provozní teplota | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parametry | Typický | Jednotky |
| Frekvenční rozsah | 93–95 | GHz |
| Získat | 22 Typ. | dBi |
| PSV | 1,3 Typ. |
|
| Polarizace | Dvojí Lineární |
|
| Křížová polární izolace | 60 Typ. | dB |
| Izolace portů | 67 Typ. | dB |
| Konektor | WR10 |
|
| Materiál | Cu |
|
| Dokončování | Zlatý |
|
| Velikost(D*Š*V) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Hmotnost | 0,015 | kg |
Čas zveřejnění: 11. dubna 2024
