Elektroniikkainsinöörit tietävät, että antennit lähettävät ja vastaanottavat signaaleja sähkömagneettisen (EM) energian aaltojen muodossa, jotka kuvataan Maxwellin yhtälöillä. Kuten monia aiheita, näitä yhtälöitä ja sähkömagnetismin leviämistä, ominaisuuksia voidaan tutkia eri tasoilla, suhteellisen laadullisista termeistä monimutkaisiin yhtälöihin.
Sähkömagneettisen energian etenemiseen liittyy monia näkökohtia, joista yksi on polarisaatio, jolla voi olla eriasteisia vaikutuksia tai huolenaiheita sovelluksissa ja niiden antennirakenteissa. Polarisoinnin perusperiaatteet koskevat kaikkea sähkömagneettista säteilyä, mukaan lukien RF/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-kentät) ja magneettikentistä (H-kentät) ja liikkuvat yhteen suuntaan. E- ja H-kentät ovat kohtisuorassa toisiinsa ja tasoaallon etenemissuuntaan nähden.
Polarisaatiolla tarkoitetaan E-kentän tasoa signaalilähettimen näkökulmasta: vaakapolarisaatiossa sähkökenttä liikkuu vaakatasossa sivuttain, kun taas pystypolarisaatiossa sähkökenttä värähtelee ylös ja alas pystytasossa.( kuva 1).
Kuva 1: Sähkömagneettiset energia-aallot koostuvat keskenään kohtisuorassa olevista E- ja H-kenttäkomponenteista
Lineaarinen polarisaatio ja ympyräpolarisaatio
Polarisaatiotilat sisältävät seuraavat:
Lineaarisessa peruspolarisaatiossa kaksi mahdollista polarisaatiota ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden (kuva 2). Teoriassa vaakapolarisoitu vastaanottoantenni ei "näe" signaalia pystypolarisoidusta antennista ja päinvastoin, vaikka molemmat toimisivat samalla taajuudella. Mitä paremmin ne on kohdistettu, sitä enemmän signaalia siepataan ja energiansiirto on maksimoitu, kun polarisaatiot täsmäävät.
Kuva 2: Lineaarinen polarisaatio tarjoaa kaksi polarisaatiovaihtoehtoa suorassa kulmassa toisiinsa nähden
Antennin vino polarisaatio on eräänlainen lineaaripolarisaatio. Kuten perusvaaka- ja pystypolarisaatio, tämä polarisaatio on järkevä vain maanpäällisessä ympäristössä. Vinopolarisaatio on ±45 asteen kulmassa vaakasuuntaiseen vertailutasoon nähden. Vaikka tämä on oikeastaan vain yksi lineaarisen polarisaation muoto, termi "lineaarinen" viittaa yleensä vain vaakasuoraan tai pystysuoraan polarisoituihin antenneihin.
Joistakin häviöistä huolimatta diagonaaliantennin lähettämät (tai vastaanottamat) signaalit ovat mahdollisia vain vaaka- tai pystypolarisoiduilla antenneilla. Vinopolarisoidut antennit ovat hyödyllisiä, kun toisen tai molempien antennien polarisaatiota ei tunneta tai se muuttuu käytön aikana.
Ympyräpolarisaatio (CP) on monimutkaisempi kuin lineaarinen polarisaatio. Tässä tilassa E-kenttävektorin edustama polarisaatio pyörii signaalin edetessä. Oikealle käännettäessä (lähettimestä ulospäin katsottuna) ympyräpolarisaatiota kutsutaan oikeanpuoleiseksi ympyräpolarisaatioksi (RHCP); kun käännetään vasemmalle, vasenkätinen ympyräpolarisaatio (LHCP) (kuva 3)
Kuva 3: Ympyräpolarisaatiossa sähkömagneettisen aallon E-kenttävektori pyörii; tämä kierto voi olla oikea- tai vasenkätinen
CP-signaali koostuu kahdesta ortogonaalisesta aallosta, jotka ovat epävaiheessa. CP-signaalin muodostamiseen vaaditaan kolme ehtoa. E-kentän tulee koostua kahdesta ortogonaalisesta komponentista; kahden komponentin on oltava 90 astetta eri vaiheista ja amplitudiltaan yhtä suuri. Yksinkertainen tapa tuottaa CP on käyttää kierteistä antennia.
Elliptinen polarisaatio (EP) on eräänlainen CP. Elliptisesti polarisoidut aallot ovat kahden lineaarisesti polarisoidun aallon, kuten CP-aaltojen, tuottamaa vahvistusta. Kun yhdistetään kaksi keskenään kohtisuoraa lineaarisesti polarisoitua aaltoa, joiden amplitudit eivät ole yhtä suuret, syntyy elliptisesti polarisoitu aalto.
Antennien välinen polarisaatioepäsopivuus kuvataan polarisaatiohäviökertoimella (PLF). Tämä parametri ilmaistaan desibeleinä (dB) ja se on lähetys- ja vastaanottoantennin välisen polarisaatiokulman eron funktio. Teoreettisesti PLF voi vaihdella 0 dB:stä (ei häviötä) täydellisesti kohdistetun antennin tapauksessa äärettömään dB:iin (ääretön häviö) täysin ortogonaaliselle antennille.
Todellisuudessa polarisaation kohdistus (tai väärä kohdistus) ei kuitenkaan ole täydellinen, koska antennin mekaaninen sijainti, käyttäjän käyttäytyminen, kanavasärö, monitieheijastukset ja muut ilmiöt voivat aiheuttaa jonkin verran kulmavääristymää lähetetyssä sähkömagneettisessa kentässä. Aluksi tulee 10 - 30 dB tai enemmän signaalin ristipolarisaatio "vuotoa" ortogonaalisesta polarisaatiosta, mikä voi joissain tapauksissa riittää häiritsemään halutun signaalin palautumista.
Sitä vastoin kahden kohdistetun antennin todellinen PLF, joilla on ihanteellinen polarisaatio, 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 välittää polarisaatiosta?
Polarisaatio toimii kahdella tavalla: mitä paremmin kaksi antennia ovat kohdakkain ja niillä on sama polarisaatio, sitä parempi on vastaanotetun signaalin voimakkuus. Sitä vastoin huono polarisaatiokohdistus vaikeuttaa vastaanottimien, joko tarkoitettujen tai tyytymättömien, siepata tarpeeksi kiinnostavaa signaalia. Monissa tapauksissa "kanava" vääristää lähetettyä polarisaatiota tai yksi tai molemmat antennit eivät ole kiinteässä staattisessa suunnassa.
Käytettävän polarisoinnin valinta määräytyy yleensä asennuksen tai ilmakehän olosuhteiden mukaan. Esimerkiksi vaakasuoraan polarisoitu antenni toimii paremmin ja säilyttää polarisaationsa, kun se asennetaan lähelle kattoa; päinvastoin pystysuoraan polarisoitu antenni toimii paremmin ja säilyttää polarisaatiokykynsä, kun se asennetaan lähelle sivuseinää.
Laajalti käytetty dipoliantenni (tavallinen tai taitettu) on vaakasuoraan polarisoitu "normaalissa" asennusasennossaan (kuva 4) ja sitä käännetään usein 90 astetta pystysuuntaisen polarisoinnin ottamiseksi tarvittaessa tai ensisijaisen polarisaatiotilan tukemiseksi (kuva 5).
Kuva 4: Dipoliantenni asennetaan yleensä vaakasuoraan mastolleen vaakapolarisaation aikaansaamiseksi
Kuva 5: Pystypolarisaatiota vaativissa sovelluksissa dipoliantenni voidaan asentaa vastaavasti paikkaan, jossa antenni tarttuu
Pystypolarisaatiota käytetään yleisesti kädessä pidettävissä mobiiliradioissa, kuten ensivastaajien käyttämissä radioissa, koska monet vertikaalisesti polarisoidut radioantennimallit tarjoavat myös ympärisuuntaisen säteilykuvion. Siksi tällaisia antenneja ei tarvitse suunnata uudelleen, vaikka radion ja antennin suunta muuttuisi.
3 - 30 MHz korkeataajuiset (HF) taajuusantennit on tyypillisesti rakennettu yksinkertaisiksi pitkiksi johtoiksi, jotka on pujotettu yhteen vaakasuoraan kiinnikkeiden väliin. Sen pituus määräytyy aallonpituuden mukaan (10 - 100 m). Tämän tyyppinen antenni on luonnollisesti vaakasuoraan polarisoitu.
On syytä huomata, että tämän kaistan kutsuminen "korkeataajuudella" alkoi vuosikymmeniä sitten, jolloin 30 MHz oli todellakin korkea taajuus. Vaikka tämä kuvaus näyttää nyt vanhentuneelta, se on Kansainvälisen televiestintäliiton virallinen nimitys ja sitä käytetään edelleen laajalti.
Suositeltu polarisaatio voidaan määrittää kahdella tavalla: joko käyttämällä maa-aaltoja voimakkaampaan lyhyen kantaman signalointiin lähetyslaitteilla, jotka käyttävät 300 kHz - 3 MHz keskiaaltokaistaa (MW), tai käyttämällä taivaan aaltoja pitemmille etäisyyksille ionosfäärilinkin kautta. Yleisesti ottaen pystypolarisoiduilla antenneilla on parempi maa-aallon eteneminen, kun taas vaakasuoraan polarisoiduilla antenneilla on parempi taivasaaltojen suorituskyky.
Pyöreäpolarisaatiota käytetään laajalti satelliiteissa, koska satelliitin suunta suhteessa maa-asemiin ja muihin satelliitteihin muuttuu jatkuvasti. Lähetys- ja vastaanottoantennien välinen hyötysuhde on suurin, kun molemmat ovat ympyräpolarisoituja, mutta lineaarisesti polarisoituja antenneja voidaan käyttää CP-antennien kanssa, vaikka polarisaatiohäviökerroin on olemassa.
Polarisaatio on myös tärkeää 5G-järjestelmille. Jotkin 5G-monitulo/multiple-output (MIMO) -antenniryhmät lisäävät suorituskykyä käyttämällä polarisaatiota käytettävissä olevan spektrin tehokkaampaan hyödyntämiseen. Tämä saavutetaan käyttämällä eri signaalipolarisaatioiden ja antennien spatiaalisen multipleksoinnin yhdistelmää (avaruusdiversiteetti).
Järjestelmä voi lähettää kaksi datavirtaa, koska tietovirrat on yhdistetty itsenäisillä ortogonaalisesti polarisoiduilla antenneilla ja ne voidaan palauttaa itsenäisesti. Vaikka jonkin verran ristipolarisaatiota esiintyy polun ja kanavan vääristymien, heijastusten, monitie- ja muiden epätäydellisyyksien vuoksi, vastaanotin käyttää kehittyneitä algoritmeja palauttaakseen jokaisen alkuperäisen signaalin, mikä johtaa alhaisiin bittivirhesuhteisiin (BER) ja lopulta parantuneeseen spektrin käyttöön.
lopuksi
Polarisaatio on tärkeä antennin ominaisuus, joka usein jätetään huomiotta. Lineaarista (mukaan lukien vaaka- ja pystypolarisaatiota), vinopolarisaatiota, ympyräpolarisaatiota ja elliptistä polarisaatiota käytetään eri sovelluksissa. Antenni voi saavuttaa päästä-päähän RF-suorituskyvyn, joka riippuu sen suhteellisesta suunnasta ja kohdistuksesta. Vakioantenneilla on erilaiset polarisaatiot ja ne sopivat spektrin eri osiin, tarjoten ensisijaisen polarisaation kohdesovellukselle.
Suositellut tuotteet:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parametrit | Tyypillinen | Yksiköt |
| Taajuusalue | 20-30 | GHz |
| Saada | 15 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.3 Tyyppi. | |
| Polarisaatio | Kaksinkertainen Lineaarinen | |
| Cross Pol. Eristäytyminen | 60 Typ. | dB |
| Portin eristäminen | 70 Typ. | dB |
| Liitin | SMA-Female | |
| Materiaali | Al | |
| Viimeistely | Maali | |
| Koko(P*L*K) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Paino | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Tuote | Erittely | Yksikkö |
| Taajuusalue | 1-18 | GHz |
| Saada | 10 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.5 Tyyppi. | |
| Polarisaatio | Lineaarinen | |
| Cross Po. Eristäytyminen | 30 Typ. | dB |
| Liitin | SMA-naaras | |
| Viimeistely | Pei | |
| 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 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.5 Tyyppi. |
|
| Polarisaatio | Kaksinkertainen Lineaarinen |
|
| Cross Pol. Eristäytyminen | 40 | dB |
| Portin eristäminen | 40 | dB |
| Liitin | SMA-F |
|
| Pintakäsittely | Pei |
|
| 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 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.3 Tyyppi. |
|
| Polarisaatio | Kaksinkertainen Lineaarinen |
|
| Cross Pol. Eristäytyminen | 60 Typ. | dB |
| Portin eristäminen | 67 Typ. | dB |
| Liitin | WR10 |
|
| Materiaali | Cu |
|
| Viimeistely | Kultainen |
|
| Koko(P*L*K) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Paino | 0,015 | kg |
Postitusaika: 11.4.2024
