Elektroniikkainsinöörit tietävät, että antennit lähettävät ja vastaanottavat signaaleja sähkömagneettisten (EM) energia-aaltojen muodossa, joita kuvataan Maxwellin yhtälöillä. Kuten monien muidenkin aiheiden kohdalla, näitä yhtälöitä ja sähkömagnetismin etenemisominaisuuksia voidaan tutkia eri tasoilla, suhteellisen kvalitatiivisista termeistä monimutkaisiin yhtälöihin.
Sähkömagneettisen energian etenemiseen liittyy monia näkökohtia, joista yksi on polarisaatio, jolla voi olla vaihteleva vaikutus tai huolenaihe sovelluksissa ja niiden antennisuunnittelussa. Polarisaation perusperiaatteet soveltuvat kaikkeen sähkömagneettiseen säteilyyn, mukaan lukien radiotaajuus/langaton optinen energia, ja niitä käytetään usein optisissa sovelluksissa.
Mikä on antennin polarisaatio?
Ennen kuin ymmärrämme polarisaation, meidän on ensin ymmärrettävä sähkömagneettisten aaltojen perusperiaatteet. Nämä aallot koostuvat sähkökentistä (E-kentistä) ja magneettikentistä (H-kentistä) ja liikkuvat yhteen suuntaan. E- ja H-kentät ovat kohtisuorassa toisiinsa ja tasoaallon etenemissuuntaan nähden.
Polarisaatio viittaa sähkökentän tasoon signaalin lähettimen näkökulmasta: vaakasuorassa polarisaatiossa sähkökenttä liikkuu sivusuunnassa vaakatasossa, kun taas pystysuorassa polarisaatiossa sähkökenttä värähtelee ylös ja alas pystytasossa (kuva 1).
Kuva 1: Sähkömagneettiset energia-aallot koostuvat keskenään kohtisuorista E- ja H-kenttäkomponenteista
Lineaarinen polarisaatio ja ympyräpolarisaatio
Polarisaatiotiloihin kuuluvat seuraavat:
Lineaarisen polarisaation perusmuodossa kaksi mahdollista polarisaatiota ovat toisiinsa nähden ortogonaalisia (kohtisuorassa) (kuva 2). Teoriassa vaakasuoraan polarisoitu vastaanottoantenni ei "näe" signaalia pystysuoraan polarisoidusta antennista ja päinvastoin, vaikka molemmat toimisivat samalla taajuudella. Mitä paremmin ne on kohdistettu, sitä enemmän signaalia saadaan talteen ja energiansiirto maksimoituu, kun polarisaatiot vastaavat toisiaan.
Kuva 2: Lineaarinen polarisaatio tarjoaa kaksi toisiinsa nähden suorassa kulmassa olevaa polarisaatiovaihtoehtoa
Antennin vino polarisaatio on lineaarisen polarisaation tyyppi. Kuten perusvaaka- ja pystypolarisaatio, tämä polarisaatio on järkevää vain maanpäällisessä ympäristössä. Vino polarisaatio on ±45 asteen kulmassa vaakasuoraan referenssitasoon nähden. Vaikka tämä on oikeastaan vain yksi lineaarisen polarisaation muoto, termi "lineaarinen" viittaa yleensä vain vaaka- tai pystypolarisoituihin antenneihin.
Joistakin häviöistä huolimatta diagonaaliantennin lähettämät (tai vastaanottamat) signaalit ovat mahdollisia vain vaakasuoraan tai pystysuoraan polarisoiduilla antenneilla. Vinosti polarisoidut antennit ovat hyödyllisiä, kun toisen tai molempien antennien polarisaatio on tuntematon tai muuttuu käytön aikana.
Ympyräpolarisaatio (CP) on monimutkaisempi kuin lineaarinen polarisaatio. Tässä tilassa E-kenttävektorin edustama polarisaatio kiertyy signaalin edetessä. Kun ympyräpolarisaatiota kierretään oikealle (lähettimestä ulospäin katsottuna), sitä kutsutaan oikeakätiseksi ympyräpolarisaatioksi (RHCP); kun sitä kierretään vasemmalle, sitä kutsutaan vasenkätiseksi ympyräpolarisaatioksi (LHCP) (kuva 3).
Kuva 3: Ympyräpolarisaatiossa sähkömagneettisen aallon E-kenttävektori pyörii; tämä pyöriminen voi olla oikea- tai vasenkätinen
CP-signaali koostuu kahdesta vaiheeltaan epäsuhdassa olevasta ortogonaalisesta aallosta. CP-signaalin generointiin vaaditaan kolme ehtoa. E-kentän on koostuttava kahdesta ortogonaalisesta komponentista; näiden kahden komponentin on oltava 90 asteen vaiheeltaan epäsuhdassa ja amplitudiltaan yhtä suuret. Yksinkertainen tapa generoida CP on käyttää kierukka-antennia.
Elliptinen polarisaatio (EP) on eräs CP:n tyyppi. Elliptisesti polarisoidut aallot ovat kahden lineaarisesti polarisoidun aallon, kuten CP-aaltojen, tuottamia vahvistuksia. Kun kaksi keskenään kohtisuorassa olevaa lineaarisesti polarisoitua aaltoa, joilla on eri suuret amplitudit, yhdistetään, syntyy elliptisesti polarisoitu aalto.
Antennien välistä polarisaatioepäsuhtaa kuvataan polarisaatiohäviökertoimella (PLF). Tämä parametri ilmaistaan desibeleinä (dB) ja se on lähetys- ja vastaanottoantennien välisen polarisaatiokulman eron funktio. Teoriassa PLF voi vaihdella 0 dB:stä (ei häviötä) täydellisesti suunnatulle antennille äärettömään dB:hen (ääretön häviö) täydellisesti ortogonaaliselle antennille.
Todellisuudessa polarisaation kohdistus (tai kohdistusvirhe) ei kuitenkaan ole täydellinen, koska antennin mekaaninen asento, käyttäjän käyttäytyminen, kanavan vääristymä, monitieheijastukset ja muut ilmiöt voivat aiheuttaa lähetetyn sähkömagneettisen kentän kulmavääristymiä. Aluksi ortogonaalisesta polarisaatiosta tulee 10–30 dB tai enemmän signaalin ristipolarisaatio-"vuotoa", mikä joissakin tapauksissa voi riittää häiritsemään halutun signaalin palautumista.
Sitä vastoin kahden ihanteellisesti polarisoidun, linjassa olevan antennin todellinen PLF voi olla 10 dB, 20 dB tai suurempi olosuhteista riippuen, ja se voi haitata signaalin palautumista. Toisin sanoen tahaton ristipolarisaatio ja PLF voivat toimia molempiin suuntiin häiritsemällä haluttua signaalia tai vähentämällä haluttua signaalin voimakkuutta.
Miksi polarisaatiosta välitetään?
Polarisaatio toimii kahdella tavalla: mitä paremmin kaksi antennia on kohdistettu ja niillä on sama polarisaatio, sitä parempi on vastaanotetun signaalin voimakkuus. Toisaalta huono polarisaation kohdistaminen vaikeuttaa vastaanottimien, joko tarkoituksellisten tai tyytymättömien, riittävän määrän kiinnostuksen kohteena olevan signaalin vastaanottamista. Monissa tapauksissa "kanava" vääristää lähetettyä polarisaatiota tai toinen tai molemmat antennit eivät ole kiinteässä staattisessa suunnassa.
Käytettävän polarisaation valinta määräytyy yleensä asennuksen tai ilmakehän olosuhteiden mukaan. Esimerkiksi vaakasuoraan polarisoitu antenni toimii paremmin ja säilyttää polarisaationsa asennettuna lähelle kattoa; päinvastoin, pystysuoraan polarisoitu antenni toimii paremmin ja säilyttää polarisaationsa asennettuna lähelle sivuseinää.
Laajalti käytetty dipoliantenni (tavallinen tai taitettu) on vaakasuorassa polarisoitu "normaalissa" asennusasennossaan (kuva 4) ja sitä käännetään usein 90 astetta pystysuoran polarisaation saavuttamiseksi tarvittaessa tai edullisen polarisaatiotilan tukemiseksi (kuva 5).
Kuva 4: Dipoliantenni asennetaan yleensä vaakasuoraan mastoonsa vaakasuoran polarisaation aikaansaamiseksi.
Kuva 5: Sovelluksissa, jotka vaativat pystysuoraa polarisaatiota, dipoliantenni voidaan asentaa vastaavaan kohtaan, jossa antenni osuu
Pystypolarisaatiota käytetään yleisesti kannettavissa mobiiliradioissa, kuten ensihoitajien käyttämissä radioissa, koska monet pystypolarisoidut radioantennimallit tarjoavat myös monisuuntaisen säteilykuvion. Siksi tällaisia antenneja ei tarvitse suunnata uudelleen, vaikka radion ja antennin suunta muuttuisi.
3–30 MHz:n korkeataajuiset (HF) antennit on tyypillisesti rakennettu yksinkertaisiksi pitkiksi langoiksi, jotka on pujotettu vaakasuunnassa kiinnikkeiden väliin. Sen pituus määräytyy aallonpituuden mukaan (10–100 m). Tämän tyyppinen antenni on luonnostaan vaakasuunnassa polarisoitu.
On syytä huomata, että tätä taajuusaluetta alettiin kutsua "korkeataajuudeksi" vuosikymmeniä sitten, jolloin 30 MHz oli todellakin korkeataajuus. Vaikka tämä kuvaus näyttää nyt vanhentuneelta, se on Kansainvälisen televiestintäliiton virallinen nimitys ja sitä käytetään edelleen laajalti.
Edullinen polarisaatio voidaan määrittää kahdella tavalla: joko käyttämällä maa-aaltoja voimakkaampaan lyhyen kantaman signaaliin lähetyslaitteilla, jotka käyttävät 300 kHz - 3 MHz keskiaaltokaistaa (MW), tai käyttämällä taivaan aaltoja pidemmille etäisyyksille ionosfäärilinkin kautta. Yleisesti ottaen pystysuoraan polarisoiduilla antenneilla on parempi maa-aaltojen eteneminen, kun taas vaakasuoraan polarisoiduilla antenneilla on parempi taivaan aaltojen suorituskyky.
Ympyräpolarisaatiota käytetään laajalti satelliiteissa, koska satelliitin suuntaus maa-asemiin ja muihin satelliitteihin nähden muuttuu jatkuvasti. Lähetys- ja vastaanottoantennien välinen hyötysuhde on suurin, kun molemmat ovat ympyräpolarisoituja, mutta lineaarisesti polarisoituja antenneja voidaan käyttää CP-antennien kanssa, vaikka polarisaatiossa onkin häviökerroin.
Polarisaatio on myös tärkeää 5G-järjestelmissä. Jotkut 5G:n MIMO-antenniryhmät saavuttavat paremman läpäisykyvyn käyttämällä polarisaatiota käytettävissä olevan spektrin tehokkaampaan hyödyntämiseen. Tämä saavutetaan yhdistämällä erilaisia signaalipolarisaatioita ja antennien spatiaalista multipleksointia (avaruusdiversiteetti).
Järjestelmä voi lähettää kaksi datavirtaa, koska datavirrat on yhdistetty toisistaan riippumattomilla, ortogonaalisesti polarisoiduilla antenneilla ja ne voidaan palauttaa toisistaan riippumatta. Vaikka ristipolarisaatiota esiintyisikin reitti- ja kanavavääristymien, heijastusten, monitie-etenemisen ja muiden epätäydellisyyksien vuoksi, vastaanotin käyttää hienostuneita algoritmeja kunkin alkuperäisen signaalin palauttamiseen, mikä johtaa alhaisiin bittivirhesuhteisiin (BER) ja lopulta parempaan spektrin hyödyntämiseen.
lopuksi
Polarisaatio on tärkeä antennin ominaisuus, joka usein unohdetaan. Lineaarista (mukaan lukien vaakasuora ja pystysuora) polarisaatiota, vinoa polarisaatiota, ympyräpolarisaatiota ja elliptistä polarisaatiota käytetään eri sovelluksissa. Antennin saavuttama radiotaajuussuorituskyky riippuu sen suhteellisesta suunnasta ja linjauksesta. Vakioantenneilla on erilaiset polarisaatiot ja ne soveltuvat spektrin eri osiin, tarjoten kohdesovellukselle ensisijaisen polarisaation.
Suositellut tuotteet:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parametrit | Tyypillinen | Yksiköt |
| Taajuusalue | 20–30 | GHz |
| Saada | 15 Tyyppi | dBi |
| VSWR | 1.3 Tyyppi | |
| Polarisaatio | Kaksinkertainen Lineaarinen | |
| Ristipolaarinen eristys | 60 Tyyppi | dB |
| Portin eristäminen | 70 Tyyppi | dB |
| Liitin | SMA-Femali | |
| Materiaali | Al | |
| Viimeistely | Maali | |
| Koko(P*L*K) | 83,9 * 39,6 * 69,4 (±5) | mm |
| Paino | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Tuote | Tekniset tiedot | Yksikkö |
| Taajuusalue | 1–18 | GHz |
| Saada | 10 tyyp. | dBi |
| VSWR | 1.5 Tyyppi | |
| Polarisaatio | Lineaarinen | |
| Po-eristys | 30 tyyp. | dB |
| Liitin | SMA-naaras | |
| Viimeistely | Ppyhäinhäväistys | |
| Materiaali | Al | |
| Koko(P*L*K) | 182,4 * 185,1 * 116,6 (±5) | mm |
| Paino | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Parametrit | Tyypillinen | Yksiköt |
| Taajuusalue | 2-18 | GHz |
| Saada | 15 Tyyppi | dBi |
| VSWR | 1.5 Tyyppi |
|
| Polarisaatio | Kaksinkertainen Lineaarinen |
|
| Ristipolaarinen eristys | 40 | dB |
| Portin eristäminen | 40 | dB |
| Liitin | SMA-F |
|
| Pintakäsittely | Ppyhäinhäväistys |
|
| Koko(P*L*K) | 276*147*147(±5) | mm |
| Paino | 0,945 | kg |
| Materiaali | Al |
|
| Käyttölämpötila | -40–+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parametrit | Tyypillinen | Yksiköt |
| Taajuusalue | 93-95 | GHz |
| Saada | 22 Tyyppi | dBi |
| VSWR | 1.3 Tyyppi |
|
| Polarisaatio | Kaksinkertainen Lineaarinen |
|
| Ristipolaarinen eristys | 60 Tyyppi | dB |
| Portin eristäminen | 67 Tyyppi | dB |
| Liitin | WR10 |
|
| Materiaali | Cu |
|
| Viimeistely | Kultainen |
|
| Koko(P*L*K) | 69,3 * 19,1 * 21,2 (±5) | mm |
| Paino | 0,015 | kg |
Julkaisun aika: 11. huhtikuuta 2024
