Elektronikingenjörer vet att antenner skickar och tar emot signaler i form av vågor av elektromagnetisk (EM) energi som beskrivs av Maxwells ekvationer. Som med många andra ämnen kan dessa ekvationer, och utbredningsegenskaperna hos elektromagnetism, studeras på olika nivåer, från relativt kvalitativa termer till komplexa ekvationer.
Det finns många aspekter av elektromagnetisk energiutbredning, varav en är polarisering, som kan ha varierande grad av påverkan eller problem i tillämpningar och deras antenndesign. De grundläggande principerna för polarisering gäller all elektromagnetisk strålning, inklusive RF/trådlös, optisk energi, och används ofta i optiska tillämpningar.
Vad är antennpolarisering?
Innan vi förstår polarisering måste vi först förstå de grundläggande principerna för elektromagnetiska vågor. Dessa vågor består av elektriska fält (E-fält) och magnetfält (H-fält) och rör sig i en riktning. E- och H-fälten är vinkelräta mot varandra och mot riktningen för planvågutbredningen.
Polarisering hänvisar till E-fältplanet ur signalsändarens perspektiv: vid horisontell polarisering kommer det elektriska fältet att röra sig i sidled i det horisontella planet, medan vid vertikal polarisering kommer det elektriska fältet att oscillera upp och ner i det vertikala planet (figur 1).
Figur 1: Elektromagnetiska energivågor består av ömsesidigt vinkelräta E- och H-fältkomponenter
Linjär polarisering och cirkulär polarisering
Polarisationslägena inkluderar följande:
Vid grundläggande linjär polarisering är de två möjliga polarisationerna ortogonala (vinkelräta) mot varandra (Figur 2). I teorin kommer en horisontellt polariserad mottagarantenn inte att "se" en signal från en vertikalt polariserad antenn och vice versa, även om båda arbetar på samma frekvens. Ju bättre de är inriktade, desto mer signal fångas upp och energiöverföringen maximeras när polarisationerna matchar.
Figur 2: Linjär polarisering ger två polariseringsalternativ i rät vinkel mot varandra
Antennens sneda polarisering är en typ av linjär polarisering. Liksom grundläggande horisontell och vertikal polarisering är denna polarisering endast meningsfull i en terrestrisk miljö. Sned polarisering sker i en vinkel på ±45 grader mot det horisontella referensplanet. Även om detta egentligen bara är en annan form av linjär polarisering, hänvisar termen "linjär" vanligtvis bara till horisontellt eller vertikalt polariserade antenner.
Trots vissa förluster är signaler som skickas (eller tas emot) av en diagonal antenn möjliga med endast horisontellt eller vertikalt polariserade antenner. Snett polariserade antenner är användbara när polariseringen av en eller båda antennerna är okänd eller ändras under användning.
Cirkulär polarisering (CP) är mer komplex än linjär polarisering. I detta läge roterar polariseringen som representeras av E-fältvektorn allt eftersom signalen fortplantar sig. När den roteras åt höger (sett ut från sändaren) kallas cirkulär polarisering för högerhänt cirkulär polarisering (RHCP); när den roteras åt vänster kallas den för vänsterhänt cirkulär polarisering (LHCP) (Figur 3).
Figur 3: Vid cirkulär polarisering roterar E-fältvektorn för en elektromagnetisk våg; denna rotation kan vara höger- eller vänstervriden.
En CP-signal består av två ortogonala vågor som är ur fas. Tre villkor krävs för att generera en CP-signal. E-fältet måste bestå av två ortogonala komponenter; de två komponenterna måste vara 90 grader ur fas och ha samma amplitud. Ett enkelt sätt att generera CP är att använda en spiralformad antenn.
Elliptisk polarisering (EP) är en typ av CP. Elliptiskt polariserade vågor är den förstärkning som produceras av två linjärt polariserade vågor, som CP-vågor. När två ömsesidigt vinkelräta linjärt polariserade vågor med olika amplituder kombineras, produceras en elliptiskt polariserad våg.
Polarisationsmissmatchningen mellan antenner beskrivs av polarisationsförlustfaktorn (PLF). Denna parameter uttrycks i decibel (dB) och är en funktion av skillnaden i polarisationsvinkel mellan sändnings- och mottagarantennerna. Teoretiskt sett kan PLF variera från 0 dB (ingen förlust) för en perfekt justerad antenn till oändlig dB (oändlig förlust) för en perfekt ortogonal antenn.
I verkligheten är dock polarisationens inriktning (eller felinriktning) inte perfekt eftersom antennens mekaniska position, användarbeteende, kanalförvrängning, flervägsreflektioner och andra fenomen kan orsaka viss vinkelförvrängning av det överförda elektromagnetiska fältet. Initialt kommer det att finnas 10–30 dB eller mer av signalkorspolarisations"läckage" från den ortogonala polarisationen, vilket i vissa fall kan vara tillräckligt för att störa återhämtningen av den önskade signalen.
Däremot kan den faktiska PLF för två uppradade antenner med ideal polarisering vara 10 dB, 20 dB eller högre, beroende på omständigheterna, och kan hindra signalåterställning. Med andra ord kan oavsiktlig korspolarisering och PLF fungera åt båda hållen genom att störa den önskade signalen eller minska den önskade signalstyrkan.
Varför bry sig om polarisering?
Polarisering fungerar på två sätt: ju mer uppriktade två antenner är och har samma polarisering, desto bättre är styrkan på den mottagna signalen. Omvänt gör dålig polariseringsuppriktning det svårare för mottagare, antingen avsedda eller missnöjda, att fånga tillräckligt med av den aktuella signalen. I många fall förvränger "kanalen" den sända polariseringen, eller så är en eller båda antennerna inte i en fast statisk riktning.
Valet av polarisering bestäms vanligtvis av installationen eller atmosfäriska förhållanden. Till exempel kommer en horisontellt polariserad antenn att prestera bättre och bibehålla sin polarisering när den installeras nära taket; omvänt kommer en vertikalt polariserad antenn att prestera bättre och bibehålla sin polariseringsprestanda när den installeras nära en sidovägg.
Den allmänt använda dipolantennen (slät eller vikt) är horisontellt polariserad i sin "normala" monteringsorientering (Figur 4) och roteras ofta 90 grader för att anta vertikal polarisering vid behov eller för att stödja ett föredraget polariseringsläge (Figur 5).
Figur 4: En dipolantenn monteras vanligtvis horisontellt på sin mast för att ge horisontell polarisering.
Figur 5: För tillämpningar som kräver vertikal polarisering kan dipolantennen monteras på motsvarande sätt där antennen fastnar
Vertikal polarisering används ofta för handhållna mobilradioapparater, såsom de som används av räddningstjänsten, eftersom många vertikalt polariserade radioantenner också ger ett rundstrålande strålningsmönster. Därför behöver sådana antenner inte omorienteras även om radions och antennens riktning ändras.
3–30 MHz högfrekventa (HF) antenner är vanligtvis konstruerade som enkla långa trådar som är uppträdda horisontellt mellan fästen. Dess längd bestäms av våglängden (10–100 m). Denna typ av antenn är naturligt horisontellt polariserad.
Det är värt att notera att man började kalla detta band för "högfrekvens" för årtionden sedan, då 30 MHz faktiskt var högfrekvens. Även om denna beskrivning nu verkar vara föråldrad, är det en officiell beteckning från Internationella telekommunikationsunionen och används fortfarande i stor utsträckning.
Den föredragna polarisationen kan bestämmas på två sätt: antingen genom att använda markvågor för starkare kortdistanssignalering via sändningsutrustning som använder mellanvågsbandet (MW) på 300 kHz - 3 MHz, eller genom att använda himmelvågor för längre avstånd genom jonosfärlänken. Generellt sett har vertikalt polariserade antenner bättre markvågsutbredning, medan horisontellt polariserade antenner har bättre himmelvågsprestanda.
Cirkulär polarisering används ofta för satelliter eftersom satellitens orientering i förhållande till markstationer och andra satelliter ständigt förändras. Effektiviteten mellan sändar- och mottagarantenner är störst när båda är cirkulärt polariserade, men linjärt polariserade antenner kan användas med CP-antenner, även om det finns en polarisationsförlustfaktor.
Polarisering är också viktigt för 5G-system. Vissa 5G-antennmatriser med flera ingångar/utgångar (MIMO) uppnår ökad dataöverföringshastighet genom att använda polarisering för att mer effektivt utnyttja det tillgängliga spektrumet. Detta uppnås med hjälp av en kombination av olika signalpolariseringar och spatial multiplexering av antennerna (rymddiversitet).
Systemet kan överföra två dataströmmar eftersom dataströmmarna är sammankopplade med oberoende ortogonalt polariserade antenner och kan återställas oberoende av varandra. Även om viss korspolarisering förekommer på grund av ban- och kanaldistorsion, reflektioner, flervägsfel och andra brister, använder mottagaren sofistikerade algoritmer för att återställa varje originalsignal, vilket resulterar i låga bitfelsfrekvenser (BER) och i slutändan förbättrad spektrumutnyttjande.
avslutningsvis
Polarisering är en viktig antennegenskap som ofta förbises. Linjär (inklusive horisontell och vertikal) polarisering, sned polarisering, cirkulär polarisering och elliptisk polarisering används för olika tillämpningar. Hur mycket en antenn kan uppnå i radiofrekvensspektrum beror på dess relativa orientering och inriktning. Standardantenner har olika polariseringar och är lämpliga för olika delar av spektrumet, vilket ger den föredragna polariseringen för målapplikationen.
Rekommenderade produkter:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parametrar | Typisk | Enheter |
| Frekvensområde | 20-30 | GHz |
| Få | 15 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.3 Typ. | |
| Polarisering | Dubbel Linjär | |
| Korspolär isolering | 60 Typ. | dB |
| Hamnisolering | 70 Typ. | dB |
| Kontakt | SMA-Fe-post | |
| Material | Al | |
| Efterbehandling | Måla | |
| Storlek(L*B*H) | 83,9*39,6*69,4±5) | mm |
| Vikt | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Punkt | Specifikation | Enhet |
| Frekvensområde | 1-18 | GHz |
| Få | 10 Typ. | dBi |
| VSWR | 1,5 Typ. | |
| Polarisering | Linjär | |
| Cross Po. Isolering | 30 Typ. | dB |
| Kontakt | SMA-Kvinna | |
| Efterbehandling | Pinte | |
| Material | Al | |
| Storlek(L*B*H) | 182,4*185,1*116,6±5) | mm |
| Vikt | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Parametrar | Typisk | Enheter |
| Frekvensområde | 2-18 | GHz |
| Få | 15 Typ. | dBi |
| VSWR | 1,5 Typ. |
|
| Polarisering | Dubbel Linjär |
|
| Korspolär isolering | 40 | dB |
| Hamnisolering | 40 | dB |
| Kontakt | SMA-F |
|
| Ytbehandling | Pinte |
|
| Storlek(L*B*H) | 276*147*147(±5) | mm |
| Vikt | 0,945 | kg |
| Material | Al |
|
| Driftstemperatur | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parametrar | Typisk | Enheter |
| Frekvensområde | 93-95 | GHz |
| Få | 22 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.3 Typ. |
|
| Polarisering | Dubbel Linjär |
|
| Korspolär isolering | 60 Typ. | dB |
| Hamnisolering | 67 Typ. | dB |
| Kontakt | WR10 |
|
| Material | Cu |
|
| Efterbehandling | Gyllene |
|
| Storlek(L*B*H) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Vikt | 0,015 | kg |
Publiceringstid: 11 april 2024
