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 ämnen kan dessa ekvationer, och utbredningen, egenskaper hos elektromagnetism, studeras på olika nivåer, från relativt kvalitativa termer till komplexa ekvationer.
Det finns många aspekter på utbredning av elektromagnetisk energi, varav en är polarisering, som kan ha olika grad av påverkan eller oro i applikationer och deras antennkonstruktioner. 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 är sammansatta av elektriska fält (E-fält) och magnetiska fält (H-fält) och rör sig i en riktning. E- och H-fälten är vinkelräta mot varandra och mot riktningen för planvågsutbredning.
Polarisering hänvisar till E-fältsplanet från signalsändarens perspektiv: för horisontell polarisering kommer det elektriska fältet att röra sig i sidled i horisontalplanet, medan det för vertikal polarisation kommer det elektriska fältet att svänga upp och ner i det vertikala planet.( figur 1).
Figur 1: Elektromagnetiska energivågor består av inbördes vinkelräta E- och H-fältkomponenter
Linjär polarisation och cirkulär polarisation
Polariseringslägen inkluderar följande:
I grundläggande linjär polarisation är de två möjliga polarisationerna ortogonala (vinkelräta) mot varandra (Figur 2). I teorin kommer en horisontellt polariserad mottagningsantenn 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 och energiöverföringen maximeras när polarisationerna matchar.
Figur 2: Linjär polarisation ger två polariseringsalternativ i rät vinkel mot varandra
Den sneda polariseringen av antennen är en typ av linjär polarisation. Liksom grundläggande horisontell och vertikal polarisering, är denna polarisering bara meningsfull i en terrestrisk miljö. Sned polarisation är 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. Snedpolariserade antenner är användbara när polariseringen av en eller båda antennerna är okänd eller ändras under användning.
Cirkulär polarisation (CP) är mer komplex än linjär polarisation. I detta läge roterar polarisationen som representeras av E-fältvektorn när signalen fortplantar sig. När den roteras åt höger (om man tittar ut från sändaren) kallas cirkulär polarisation för högerhänt cirkulär polarisation (RHCP); när den roteras åt vänster, vänsterhänt cirkulär polarisation (LHCP) (Figur 3)
Figur 3: Vid cirkulär polarisation roterar E-fältvektorn för en elektromagnetisk våg; denna rotation kan vara högerhänt eller vänsterhänt
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 lika i amplitud. Ett enkelt sätt att generera CP är att använda en spiralformad antenn.
Elliptisk polarisation (EP) är en typ av CP. Elliptiskt polariserade vågor är förstärkningen 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.
Polarisationsfelanpassningen mellan antenner beskrivs av polarisationsförlustfaktorn (PLF). Denna parameter uttrycks i decibel (dB) och är en funktion av skillnaden i polarisationsvinkel mellan de sändande och mottagande antennerna. Teoretiskt kan PLF variera från 0 dB (ingen förlust) för en perfekt inriktad antenn till oändlig dB (oändlig förlust) för en perfekt ortogonal antenn.
I verkligheten är emellertid inriktningen (eller felinriktningen) av polarisationen inte perfekt eftersom antennens mekaniska position, användarbeteende, kanaldistorsion, 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 inriktade antenner med ideal polarisation 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 inriktade två antenner är och har samma polarisation, desto bättre är styrkan på den mottagna signalen. Omvänt gör dålig polarisationsinriktning det svårare för mottagare, antingen avsedda eller missnöjda, att fånga tillräckligt med signalen av intresse. I många fall förvränger "kanalen" den sända polarisationen, eller så är en eller båda antennerna inte i en fast statisk riktning.
Valet av vilken polarisering som ska användas 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 polarisationsprestanda 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 när det behövs eller för att stödja ett föredraget polariseringsläge (Figur 5).
Figur 4: En dipolantenn är vanligtvis monterad horisontellt på sin mast för att ge horisontell polarisation
Figur 5: För applikationer som kräver vertikal polarisation kan dipolantennen monteras i enlighet därmed där antennen fångar
Vertikal polarisering används vanligtvis för handhållna mobilradioapparater, såsom de som används av första responders, eftersom många vertikalt polariserade radioantennkonstruktioner också ger ett rundstrålande strålningsmönster. Därför behöver sådana antenner inte omorienteras även om riktningen på radion och antennen ändras.
3 - 30 MHz högfrekventa (HF) frekvensantenner är vanligtvis konstruerade som enkla långa ledningar hoptränade horisontellt mellan konsoler. Dess längd bestäms av våglängden (10 - 100 m). Denna typ av antenn är naturligt horisontellt polariserad.
Det är värt att notera att hänvisningen till detta band som "högfrekvens" började för decennier sedan, när 30 MHz verkligen var högfrekvent. Även om denna beskrivning nu verkar vara föråldrad, är den en officiell beteckning av International Telecommunications Union och används fortfarande i stor utsträckning.
Den föredragna polariseringen kan bestämmas på två sätt: antingen genom att använda markvågor för starkare kortdistanssignalering av sändningsutrustning som använder 300 kHz - 3 MHz mellanvågsbandet (MW), 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 sändnings- och mottagningsantenner 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-antenner med flera ingångar/flerutgångar (MIMO) uppnår ökad genomströmning genom att använda polarisering för att mer effektivt utnyttja det tillgängliga spektrumet. Detta uppnås genom att använda en kombination av olika signalpolarisationer och rumslig multiplexering av antennerna (rymddiversitet).
Systemet kan sända två dataströmmar eftersom dataströmmarna är sammankopplade av oberoende ortogonalt polariserade antenner och kan återställas oberoende. Även om viss korspolarisering existerar på grund av ban- och kanaldistorsion, reflektioner, flervägs- och andra ofullkomligheter, använder mottagaren sofistikerade algoritmer för att återställa varje originalsignal, vilket resulterar i låga bitfelsfrekvenser (BER) och i slutändan förbättrad spektrumanvändning.
avslutningsvis
Polarisering är en viktig antennegenskap som ofta förbises. Linjär (inklusive horisontell och vertikal) polarisation, sned polarisation, cirkulär polarisation och elliptisk polarisation används för olika tillämpningar. Omfattningen av end-to-end RF-prestanda en antenn kan uppnå beror på dess relativa orientering och inriktning. Standardantenner har olika polarisationer och är lämpliga för olika delar av spektrumet, vilket ger den föredragna polariseringen för målapplikationen.
Produkter som rekommenderas:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parametrar | Typisk | Enheter |
| Frekvensintervall | 20-30 | GHz |
| Få | 15 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.3 Typ. | |
| Polarisering | Dubbel Linjär | |
| Cross Pol. Isolering | 60 Typ. | dB |
| Port isolering | 70 Typ. | dB |
| Anslutning | SMA-Female | |
| 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 |
| Frekvensintervall | 1-18 | GHz |
| Få | 10 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.5 Typ. | |
| Polarisering | Linjär | |
| Cross Po. Isolering | 30 Typ. | dB |
| Anslutning | 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 |
| Frekvensintervall | 2-18 | GHz |
| Få | 15 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.5 Typ. |
|
| Polarisering | Dubbel Linjär |
|
| Cross Pol. Isolering | 40 | dB |
| Port isolering | 40 | dB |
| Anslutning | 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 |
| Frekvensintervall | 93-95 | GHz |
| Få | 22 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.3 Typ. |
|
| Polarisering | Dubbel Linjär |
|
| Cross Pol. Isolering | 60 Typ. | dB |
| Port isolering | 67 Typ. | dB |
| Anslutning | WR10 |
|
| Material | Cu |
|
| Efterbehandling | Gyllene |
|
| Storlek(L*B*H) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Vikt | 0,015 | kg |
Posttid: 2024-apr-11
