Elektronickí inžinieri vedia, že antény vysielajú a prijímajú signály vo forme vĺn elektromagnetickej (EM) energie opísanej Maxwellovými rovnicami. Rovnako ako v mnohých iných témach, aj tieto rovnice a šírenie, vlastnosti elektromagnetizmu, možno študovať na rôznych úrovniach, od relatívne kvalitatívnych pojmov až po zložité rovnice.
Existuje mnoho aspektov šírenia elektromagnetickej energie, jedným z nich je polarizácia, ktorá môže mať rôzny stupeň vplyvu alebo obáv v aplikáciách a ich návrhoch antén. Základné princípy polarizácie platia pre všetko elektromagnetické žiarenie vrátane rádiofrekvenčného/bezdrôtového, optickej energie a často sa používajú v optických aplikáciách.
Čo je polarizácia antény?
Pred pochopením polarizácie musíme najprv pochopiť základné princípy elektromagnetických vĺn. Tieto vlny sa skladajú z elektrických polí (polia E) a magnetických polí (polia H) a šíria sa jedným smerom. Polia E a H sú na seba kolmé a na smer šírenia rovinnej vlny.
Polarizácia sa vzťahuje na rovinu elektrického poľa z pohľadu vysielača signálu: pri horizontálnej polarizácii sa elektrické pole pohybuje do strán v horizontálnej rovine, zatiaľ čo pri vertikálnej polarizácii sa elektrické pole pohybuje hore a dole vo vertikálnej rovine (obrázok 1).
Obrázok 1: Elektromagnetické energetické vlny pozostávajú zo vzájomne kolmých zložiek poľa E a H
Lineárna polarizácia a kruhová polarizácia
Medzi polarizačné režimy patria:
Pri základnej lineárnej polarizácii sú dve možné polarizácie navzájom ortogonálne (kolmé) (obrázok 2). Teoreticky horizontálne polarizovaná prijímacia anténa „nevidí“ signál z vertikálne polarizovanej antény a naopak, aj keď obe pracujú na rovnakej frekvencii. Čím lepšie sú zarovnané, tým viac signálu sa zachytí a prenos energie sa maximalizuje, keď sa polarizácie zhodujú.
Obrázok 2: Lineárna polarizácia poskytuje dve možnosti polarizácie, ktoré sú navzájom kolmé na seba.
Šikmá polarizácia antény je typom lineárnej polarizácie. Podobne ako základná horizontálna a vertikálna polarizácia, aj táto polarizácia má zmysel iba v pozemskom prostredí. Šikmá polarizácia zviera uhol ±45 stupňov s horizontálnou referenčnou rovinou. Hoci ide v skutočnosti len o inú formu lineárnej polarizácie, termín „lineárny“ sa zvyčajne vzťahuje iba na horizontálne alebo vertikálne polarizované antény.
Napriek určitým stratám sú signály vysielané (alebo prijímané) diagonálnou anténou uskutočniteľné iba s horizontálne alebo vertikálne polarizovanými anténami. Šikmo polarizované antény sú užitočné, keď je polarizácia jednej alebo oboch antén neznáma alebo sa počas používania mení.
Kruhová polarizácia (CP) je zložitejšia ako lineárna polarizácia. V tomto režime sa polarizácia reprezentovaná vektorom poľa E otáča s šírením signálu. Pri otočení doprava (pri pohľade z vysielača) sa kruhová polarizácia nazýva pravotočivá kruhová polarizácia (RHCP); pri otočení doľava sa nazýva ľavotočivá kruhová polarizácia (LHCP) (obrázok 3).
Obrázok 3: Pri kruhovej polarizácii sa vektor poľa E elektromagnetickej vlny otáča; táto rotácia môže byť pravotočivá alebo ľavotočivá
Signál CP pozostáva z dvoch ortogonálnych vĺn, ktoré sú mimo fázy. Na generovanie signálu CP sú potrebné tri podmienky. Pole E musí pozostávať z dvoch ortogonálnych zložiek; tieto dve zložky musia byť mimo fázy o 90 stupňov a mať rovnakú amplitúdu. Jednoduchý spôsob generovania CP je použitie špirálovej antény.
Eliptická polarizácia (EP) je typ CP. Elipticky polarizované vlny sú zosilnením vytvoreným dvoma lineárne polarizovanými vlnami, podobne ako CP vlny. Keď sa dve vzájomne kolmé lineárne polarizované vlny s nerovnakými amplitúdami spoja, vznikne elipticky polarizovaná vlna.
Nesúlad polarizácie medzi anténami je opísaný faktorom polarizačných strát (PLF). Tento parameter sa vyjadruje v decibeloch (dB) a je funkciou rozdielu v polarizačnom uhle medzi vysielacou a prijímacou anténou. Teoreticky sa PLF môže pohybovať od 0 dB (bez strát) pre dokonale zarovnanú anténu do nekonečných dB (nekonečné straty) pre dokonale ortogonálnu anténu.
V skutočnosti však zarovnanie (alebo nesprávne zarovnanie) polarizácie nie je dokonalé, pretože mechanická poloha antény, správanie používateľa, skreslenie kanála, viaccestné odrazy a iné javy môžu spôsobiť určité uhlové skreslenie prenášaného elektromagnetického poľa. Spočiatku bude dochádzať k „úniku“ krížovej polarizácie signálu 10 – 30 dB alebo viac z ortogonálnej polarizácie, čo v niektorých prípadoch môže stačiť na to, aby narušilo obnovenie požadovaného signálu.
Naproti tomu skutočná PLF pre dve zarovnané antény s ideálnou polarizáciou môže byť 10 dB, 20 dB alebo vyššia v závislosti od okolností a môže brániť obnoveniu signálu. Inými slovami, neúmyselná krížová polarizácia a PLF môžu fungovať oboma smermi, a to buď interferovaním s požadovaným signálom, alebo znižovaním požadovanej sily signálu.
Prečo sa zaujímať o polarizáciu?
Polarizácia funguje dvoma spôsobmi: čím viac sú dve antény zarovnané a majú rovnakú polarizáciu, tým lepšia je sila prijímaného signálu. Naopak, zlé zarovnanie polarizácie sťažuje prijímačom, či už zamýšľaným alebo nespokojným, zachytenie dostatočného množstva signálu, ktorý ich zaujíma. V mnohých prípadoch „kanál“ skresľuje vysielanú polarizáciu alebo jedna alebo obe antény nie sú v pevnom statickom smere.
Výber polarizácie zvyčajne závisí od inštalácie alebo atmosférických podmienok. Napríklad horizontálne polarizovaná anténa bude mať lepší výkon a zachová si polarizáciu, keď je nainštalovaná blízko stropu; naopak, vertikálne polarizovaná anténa bude mať lepší výkon a zachová si polarizačný výkon, keď je nainštalovaná blízko bočnej steny.
Široko používaná dipólová anténa (hladká alebo skladaná) je horizontálne polarizovaná vo svojej „normálnej“ montážnej orientácii (obrázok 4) a často sa otáča o 90 stupňov, aby sa v prípade potreby dosiahla vertikálna polarizácia alebo aby sa podporil preferovaný polarizačný režim (obrázok 5).
Obrázok 4: Dipólová anténa je zvyčajne namontovaná horizontálne na stožiari, aby zabezpečila horizontálnu polarizáciu.
Obrázok 5: Pre aplikácie vyžadujúce vertikálnu polarizáciu je možné dipólovú anténu namontovať podľa potreby tam, kde anténa zachytí
Vertikálna polarizácia sa bežne používa pre ručné mobilné rádiá, ako sú tie, ktoré používajú záchranné zložky, pretože mnohé vertikálne polarizované rádiové antény poskytujú aj všesmerový vyžarovací diagram. Preto sa takéto antény nemusia preorientovať, aj keď sa zmení smer rádia a antény.
Vysokofrekvenčné (HF) antény s frekvenciou 3 – 30 MHz sú typicky konštruované ako jednoduché dlhé drôty horizontálne navlečené medzi držiakmi. Ich dĺžka je určená vlnovou dĺžkou (10 – 100 m). Tento typ antény je prirodzene horizontálne polarizovaný.
Stojí za zmienku, že označovanie tohto pásma ako „vysokofrekvenčného“ sa začalo pred desaťročiami, keď 30 MHz skutočne predstavovalo vysokú frekvenciu. Hoci sa tento popis dnes zdá byť zastaraný, je to oficiálne označenie Medzinárodnej telekomunikačnej únie a stále sa bežne používa.
Preferovanú polarizáciu možno určiť dvoma spôsobmi: buď použitím pozemných vĺn pre silnejšiu signalizáciu na krátke vzdialenosti vysielacím zariadením používajúcim pásmo stredných vĺn (MW) 300 kHz - 3 MHz, alebo použitím nebeských vĺn pre dlhšie vzdialenosti cez ionosférické spojenie. Vo všeobecnosti majú vertikálne polarizované antény lepšie šírenie pozemných vĺn, zatiaľ čo horizontálne polarizované antény majú lepší výkon pri šírení nebeských vĺn.
Kruhová polarizácia sa pre satelity široko používa, pretože orientácia satelitu vzhľadom na pozemné stanice a iné satelity sa neustále mení. Účinnosť medzi vysielacou a prijímacou anténou je najväčšia, keď sú obe kruhovo polarizované, ale lineárne polarizované antény sa môžu použiť s CP anténami, hoci existuje faktor polarizačných strát.
Polarizácia je dôležitá aj pre 5G systémy. Niektoré 5G anténne sústavy s viacerými vstupmi/viacerými výstupmi (MIMO) dosahujú zvýšenú priepustnosť pomocou polarizácie na efektívnejšie využitie dostupného spektra. To sa dosahuje kombináciou rôznych polarizácií signálu a priestorového multiplexovania antén (priestorová diverzita).
Systém dokáže prenášať dva dátové toky, pretože dátové toky sú prepojené nezávislými ortogonálne polarizovanými anténami a je možné ich nezávisle obnoviť. Aj keď existuje určitá krížová polarizácia v dôsledku skreslenia dráhy a kanála, odrazov, viaccestného šírenia a iných nedokonalostí, prijímač využíva sofistikované algoritmy na obnovu každého pôvodného signálu, čo vedie k nízkej miere chybovosti bitov (BER) a v konečnom dôsledku k lepšiemu využitiu spektra.
na záver
Polarizácia je dôležitá vlastnosť antény, ktorá sa často prehliada. Lineárna (vrátane horizontálnej a vertikálnej) polarizácia, šikmá polarizácia, kruhová polarizácia a eliptická polarizácia sa používajú pre rôzne aplikácie. Rozsah RF výkonu medzi koncovými bodmi, ktorý môže anténa dosiahnuť, závisí od jej relatívnej orientácie a nastavenia. Štandardné antény majú rôzne polarizácie a sú vhodné pre rôzne časti spektra, čím poskytujú preferovanú polarizáciu pre cieľovú aplikáciu.
Odporúčané produkty：
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parametre | Typické | Jednotky |
| Frekvenčný rozsah | 20 – 30 | GHz |
| Zisk | 15 Typ. | dBi |
| PSV | 1,3 Typ. | |
| Polarizácia | Duálny Lineárne | |
| Izolácia krížovej polárnej izolácie | 60 Typ. | dB |
| Izolácia portov | 70 Typ. | dB |
| Konektor | SMA-Fe-mail | |
| Materiál | Al | |
| Dokončovanie | Maľovať | |
| Veľkosť(D*Š*V) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Hmotnosť | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Položka | Špecifikácia | Jednotka |
| Frekvenčný rozsah | 1-18 | GHz |
| Zisk | 10 Typ. | dBi |
| PSV | 1,5 Typ. | |
| Polarizácia | Lineárne | |
| Izolácia krížového Po | 30 Typ. | dB |
| Konektor | SMA-žena | |
| Dokončovanie | Pnie | |
| Materiál | Al | |
| Veľkosť(D*Š*V) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
| Hmotnosť | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Parametre | Typické | Jednotky |
| Frekvenčný rozsah | 2-18 | GHz |
| Zisk | 15 Typ. | dBi |
| PSV | 1,5 Typ. |
|
| Polarizácia | Duálny Lineárne |
|
| Izolácia krížovej polárnej izolácie | 40 | dB |
| Izolácia portov | 40 | dB |
| Konektor | SMA-F |
|
| Povrchová úprava | Pnie |
|
| Veľkosť(D*Š*V) | 276*147*147(±5) | mm |
| Hmotnosť | 0,945 | kg |
| Materiál | Al |
|
| Prevádzková teplota | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parametre | Typické | Jednotky |
| Frekvenčný rozsah | 93 – 95 | GHz |
| Zisk | 22 Typ. | dBi |
| PSV | 1,3 Typ. |
|
| Polarizácia | Duálny Lineárne |
|
| Izolácia krížovej polárnej izolácie | 60 Typ. | dB |
| Izolácia portov | 67 Typ. | dB |
| Konektor | WR10 |
|
| Materiál | Cu |
|
| Dokončovanie | Zlatý |
|
| Veľkosť(D*Š*V) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Hmotnosť | 0,015 | kg |
Čas uverejnenia: 11. apríla 2024
