Что такое поляризация антенны

Основы радиолокации

Поляризация – это свойство поперечных волн, которое относится к геометрической ориентации колебаний соответствующей волны. Поле, излучаемое антенной, состоит из электрических и магнитных силовых линий. В этом поле силовые линии электрического поля перпендикулярны силовым линиям магнитного поля. Направления обеих этих составляющих зависят от положения антенны относительно земной поверхности. Направление вектора электрической напряженности определяет направление поляризации электромагнитной волны. Различают линейную и круговую поляризацию.

Рисунок 2. Электрическое поле с вертикальной линейной поляризацией

Рисунок 2. Электрическое поле с вертикальной линейной поляризацией

Рисунок 3. Электрическое поле с горизонтальной линейной поляризацией

Линейная поляризация

Установленные горизонтально или вертикально антенны предназначены для излучения и приема, соответственно, горизонтально или вертикально поляризованных волн. В случае несовпадения поляризации волны и антенны будет меняться величина принимаемого сигнала, поскольку будет меняться величина проекции вектора поляризации волны на направление поляризации антенны.

Линейная поляризация имеет две основные формы:

• в вертикально поляризованной волне электрические силовые линии лежат в вертикальной плоскости;
• в горизонтально поляризованной волне электрические силовые линии лежат в горизонтальной плоскости.

Пример: антенны станции наведения ракет зенитного ракетного комплекса С-75 (по классификации НАТО – SA-2), Рисунок 1.

Максимальный принятый сигнал соответствует ситуации, когда приемная антенна ориентирована в том же направлении, что и передающая.

Рисунок 4. Радиолокатор станции наведения ракет зенитного ракетного комплекса С-125 («Нева»).
Фото взято с сайта www.pvo.guns.ru

Конечно, в дополнении к горизонтальной и вертикальной поляризации, линейная поляризация может принимать и другие, промежуточные между этими двумя основными, направления. В частности, специально выделяются средние положения (под углом 45º):

• с наклоном +45º и
• с наклоном -45º.

Пример: антенны станции наведения ракет зенитного ракетного комплекса С-125 (по классификации НАТО – SA-3М), Рисунок 4.

При использовании проволочной одиночной антенны (штыревой антенны) максимальный принятый сигнал будет соответствовать ситуации, когда антенна ориентирована в пространстве так же, как и плоскость, в которой колеблется вектор электрической напряженности волны. Таким образом, вертикальная антенна используется для эффективного приема вертикально поляризованных волн, а горизонтальная – для приема горизонтально поляризованных.

Круговая поляризация

Рисунок 5. Формирование круговой поляризации.

Рисунок 5. Формирование круговой поляризации. Здесь имеется поясняющая анимация (50 кБайт). Для презентации в классе рекомендуется представление demonstrations.wolfram.com

При круговой поляризации силовые линии электрического поля вращаются на 360° с каждым циклом колебания высокочастотной энергии. Круговая поляризация возникает когда на две линейно поляризованные антенны, развернутые друг относительно друга на 90°, подаются два входных сигнала, сдвинутых по фазе на 90° друг относительно друга (Рисунок 5). Рассмотрение поляризации ведется по электрическому полю, поскольку интенсивность электромагнитной волны обычно измеряют в единицах напряженности электрического поля (вольт, милливольт или микровольт на метр). В некоторых случаях ориентация вектора электрической напряженности не остается постоянной, а вращается вместе с распространением волны в пространстве. В таких условиях существуют как горизонтальные, так и вертикальные компоненты поля, волна имеет эллиптическую поляризацию.

В зависимости от направления вращения вектора напряженности круговая поляризация может быть левой или правой. Волна с круговой поляризацией, отраженная дождевой каплей сферической формы, меняет направление поляризации на противоположное. Приемная антенна не пропускает волну с направлением поляризации, противоположным излученной, тем самым сводя к минимуму сигнал от дождевых капель. Отражение от самолета или другой реальной цели будет иметь существенно большую интенсивность, поскольку форма цели не является сферической.

Для наилучшего приема отраженных сигналов поляризации приемной и передающей антенн должны совпадать. В противном случае возникают значительные потери, на практике достигающие 20 … 30 дБ.

При возникновении сильных помех, вызванных отражениями от гидрометеоров, часто применяют круговую поляризацию (если такая возможность имеется). Это дает возможность снизить влияние маскирования полезного сигнала помехами.

Деполяризация

При рассеянии на цели электромагнитной волны ее поляризация может изменяться. В оптическом диапазоне деполяризацией называют изменения в степени поляризованности частично поляризованной волны при ее рассеянии. Например, рассеянная целью волна может иметь большую степень поляризации чем падающая на нее волна, в этом случае деполяризация имеет отрицательную величину.

Деполяризация также показывает пространственное или временное изменение степени поляризации для полностью поляризованной волны, что означает, что может меняться ориентация плоскости поляризации. В этом значении термин «деполяризация» используется, когда речь идет о когерентных высокочастотных волнах. Двухполяризационные метеорологические радиолокаторы имеют возможность излучать волны на двух ортогональных поляризациях (H или V) и принимать как на той же поляризации так и на кросс-поляризации (ортогональной). В таких случаях используют следующие обозначения приемных каналов:

• HH – излучается и принимается горизонтальная поляризация;
• VV – излучается и принимается вертикальная поляризация;
• HV – излучается горизонтальная, а принимается вертикальная поляризация;
• VH – излучается вертикальная, принимается горизонтальная поляризация.

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

Поляризация антенны: что такое поляризация антенны и почему это важно

Электронный Инженеры знают, что антенны посылают и принимают сигналы в виде волн электромагнитной (ЭМ) энергии, описываемых уравнениями Максвелла. Как и многие темы, эти уравнения и распространение, свойства электромагнетизма можно изучать на разных уровнях, от относительно качественных терминов до сложных уравнений.

Электронный Инженеры знают, что антенны посылают и принимают сигналы в виде волн электромагнитной (ЭМ) энергии, описываемых уравнениями Максвелла. Как и многие темы, эти уравнения и распространение, свойства электромагнетизма можно изучать на разных уровнях, от относительно качественных терминов до сложных уравнений.

Распространение электромагнитной энергии включает в себя множество аспектов, одним из которых является поляризация, и может иметь разную степень влияния или беспокойства в приложении и конструкции его антенны. Фундаментальные принципы поляризации применимы ко всем электромагнитным излучениям, включая радиочастотное/беспроводное излучение, световую энергию, а также часто используются в оптических приложениях. Эта статья посвящена только RF.

Что такое поляризация антенны?

Прежде чем понять поляризацию, мы должны сначала понять основные принципы электромагнитных волн. Эти волны состоят из электрического поля (поле E) и магнитного поля (поле H) и движутся в одном направлении. Поле E и поле H перпендикулярны друг другу и направлению распространения плоской волны.

Поляризация относится к виду плоскости электрического поля с точки зрения передатчика сигнала: для горизонтальной поляризации электрическое поле будет перемещаться в горизонтальной плоскости, а для вертикальной поляризации электрическое поле будет колебаться вверх и вниз в вертикальной плоскости ( Рисунок 1).

Рисунок 1: Волны электромагнитной энергии состоят из взаимно перпендикулярных компонентов E-поля и H-поля. (Изображение предоставлено Electronics-Notes)

Пара передающих и приемных антенн работает лучше всего, когда поляризации передающих и приемных антенн находятся в одной плоскости. Конечно, как в «В космосе никто не услышит, как ты кричишь» (извинения и кивки классическому «Чужому» 1979 года). В космосе действительно нет ни горизонтали, ни вертикали. Тем не менее, концепции поляризации и юстировки антенны остаются в силе для максимальной передачи и захвата энергии сигнала.

Линейная и круговая поляризация

Режимы поляризации включают следующее:

• В базовой линейной поляризации две возможные поляризации ортогональны (перпендикулярны) друг другу (рис. 2). Теоретически приемная антенна с горизонтальной поляризацией не «увидит» сигнал от антенны с вертикальной поляризацией и наоборот, даже если обе они работают на одной частоте. Чем лучше они выровнены, тем больше сигнала улавливается, а передача энергии максимизируется при совпадении поляризаций.

Рисунок 2: Линейная поляризация обеспечивает два варианта поляризации под прямым углом друг к другу. (Изображение предоставлено Mimosa Networks, Inc.)

• Наклонная поляризация антенны является разновидностью линейной поляризации. Подобно базовой горизонтальной и вертикальной поляризации, эта поляризация имеет смысл только в земной среде. Наклонная поляризация находится под углом ± 45 градусов от горизонтальной базовой плоскости. Хотя на самом деле это просто еще одна форма линейной поляризации, термин «линейная» обычно относится только к антеннам с горизонтальной или вертикальной поляризацией.

Несмотря на некоторые потери, сигнал, передаваемый (или принимаемый) наклонной антенной, возможен для антенн, поляризованных только горизонтально или вертикально. Антенны с наклонной поляризацией полезны, когда поляризация одной или обеих антенн неизвестна или изменяется во время использования.

• Круговая поляризация (КП) более сложна, чем линейная поляризация. В этом режиме поляризация, представленная вектором электрического поля, вращается по мере распространения сигнала. При вращении вправо (если смотреть из передатчика) круговая поляризация называется правосторонней круговой поляризацией (RHCP); при вращении влево это левосторонняя круговая поляризация (LHCP) (рис. 3).

Рисунок 3: При круговой поляризации вектор электрического поля электромагнитной волны вращается; это вращение может быть правосторонним или левосторонним. (Изображение предоставлено JEM Engineering)

Сигнал CP состоит из двух квадратурных волн, которые не совпадают по фазе. Для генерации сигнала СР необходимы три условия. E-поле должно состоять из двух квадратур компоненты; два компонента должны быть сдвинуты по фазе на 90 градусов и равны по амплитуде. Простой способ генерировать CP — использовать спиральную антенну.

• Эллиптическая поляризация (ЭП) является разновидностью КП. Эллиптически поляризованная волна — это усиление, создаваемое двумя линейно поляризованными волнами, как и CP-волна. При объединении двух взаимно перпендикулярных линейно поляризованных волн неравной амплитуды получается эллиптически поляризованная волна.

Рассогласование поляризации между антеннами описывается коэффициентом поляризационных потерь (PLF). Этот параметр выражается в децибелах (дБ) и является функцией разницы угла поляризации между передающей и приемной антеннами. Теоретически PLF может варьироваться от 0 дБ (без потерь) для идеально выровненной антенны до бесконечности дБ (бесконечные потери) для идеально ортогональной антенны.

В действительности, однако, выравнивание (или смещение) поляризации не является идеальным, поскольку механическое положение антенны, поведение пользователя, искажение канала, многолучевые отражения и другие явления могут вызывать некоторые угловые искажения передаваемого электромагнитного поля. Первоначально будет иметь место 10–30 дБ или более кросс-поляризационной «утечки» сигнала из-за ортогональных поляризаций, чего в некоторых случаях может быть достаточно, чтобы помешать восстановлению полезного сигнала.

И наоборот, для двух идеально поляризованных и выровненных антенн фактическая PLF может составлять 10 дБ, 20 дБ или более, в зависимости от ситуации, и может препятствовать восстановлению сигнала. Другими словами, непреднамеренная кросс-поляризация и PLF действуют в обоих направлениях, мешая полезному сигналу или уменьшая мощность полезного сигнала.

Зачем фокусироваться на поляризации?

Поляризация работает двумя способами: чем лучше совмещены две антенны и одинаковая поляризация, тем выше сила принимаемого сигнала. И наоборот, плохое выравнивание поляризации может затруднить для предполагаемого или неудовлетворительного приемника захват достаточного количества полезного сигнала. Во многих случаях «канал» искажает передаваемую поляризацию или одна или обе антенны не имеют фиксированного статического направления.

Выбор используемой поляризации обычно определяется установкой или атмосферными условиями. Например, антенна с горизонтальной поляризацией будет работать лучше и сохранять свою поляризацию при установке у потолка; и наоборот, антенна с вертикальной поляризацией будет работать ближе к номинальным характеристикам поляризации при установке вблизи боковой стены.

Широко используемые дипольные антенны (простые или складчатые) имеют горизонтальную поляризацию в своей «нормальной» монтажной ориентации (Рисунок 4) и часто поворачиваются на 90 градусов для демонстрации вертикальной поляризации, когда это необходимо, или для поддержки предпочтительного режима поляризации (Рисунок 4). Рисунок 5).

Рис. 4. Дипольная антенна обычно устанавливается горизонтально на мачте для обеспечения горизонтальной поляризации. (Источник изображения: KAC Radio)

Рис. 5: Для приложений, требующих вертикальной поляризации, можно установить дипольную антенну, соответствующую антенне. (Изображение предоставлено: Progressive Concepts)

Вертикальная поляризация обычно используется в портативных мобильных радиостанциях, таких как те, которые используются службами быстрого реагирования, потому что многие конструкции радиоантенн с вертикальной поляризацией также обеспечивают всенаправленную диаграмму направленности. Следовательно, эти антенны не нужно переориентировать, даже если ориентация радиостанции и антенны изменится.

Антенны высокой частоты (ВЧ) 3–30 МГц обычно представляют собой простые конструкции из длинных проводов, горизонтально натянутые между кронштейнами. Его длина определяется длиной волны (10 – 100 м). Такие антенны имеют естественную горизонтальную поляризацию.

Стоит отметить, что называть эту полосу «высокой частотой» начали десятилетия назад, когда 30 МГц действительно считались высокой частотой. Хотя сейчас это описание кажется устаревшим, оно официально обозначено Международным союзом электросвязи и до сих пор широко используется.

Предпочтительная поляризация может быть определена двумя способами: либо наземные волны для более сильной передачи сигналов ближнего действия через вещательное оборудование, использующее диапазон средних волн (MW) 300 кГц – 3 МГц, либо небесные волны для более дальних расстояний через ионосферную связь. Как правило, антенны с вертикальной поляризацией лучше распространяют земные волны, а антенны с горизонтальной поляризацией работают лучше.

Круговая поляризация широко используется в спутниках, поскольку ориентация спутников относительно наземных станций и других спутников постоянно меняется. Эффективность между передающей и приемной антеннами максимальна, когда и передающая, и приемная антенны имеют круговую поляризацию, но с CP-антеннами можно использовать антенны с линейной поляризацией, хотя существует коэффициент поляризационных потерь.

Поляризация также важна для систем 5G. Некоторые антенные решетки 5G с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) обеспечивают повышенную пропускную способность за счет более эффективной поляризации с использованием доступного спектра. Это достигается с помощью комбинации различных поляризаций сигнала и пространственного мультиплексирования антенн (пространственное разнесение).

Система может передавать два потока данных, которые могут быть восстановлены по отдельности, поскольку они соединены отдельными антеннами с ортогональной поляризацией. Даже при некоторой кроссполяризации из-за искажений пути и канала, отражений, многолучевости и других дефектов сложные алгоритмы, используемые приемником, восстанавливают каждый исходный сигнал, что приводит к низкой частоте ошибок по битам (BER) и, в конечном счете, к более эффективному использованию спектра.

Стандартные антенны обеспечивают варианты поляризации

Естественно думать, что только хорошо заметные, большие антенны, установленные на столбе, имеют проблемы с поляризацией, но это не так. Например, PCTel BOAH515905NM — это горизонтально поляризованный Wi-Fi антенна для диапазона частот 5.1–5.9 ГГц, в первую очередь для уличных точек доступа 802.11ac (рис. 6).

Рис. 6. Горизонтально поляризованная Wi-Fi-антенна PCTel BOAH515905NM предназначена для
Соединение Wi-Fi 5.9 ГГц (802.11 ac) обеспечивает внешнюю точку доступа. (Изображение предоставлено PCTel)

Эта полностью герметичная антенна со степенью защиты IP67 имеет белый пластиковый обтекатель. Обтекатель прочный и устойчивый к ультрафиолетовому излучению и включает в себя встроенный соединитель N-типа для монтажа на панель (доступны версии с вилкой и розеткой). Обтекатель имеет внешний диаметр 1.26 х 6.32 дюйма (3.20 х 16.1 см), обеспечивает номинальное усиление 5 дБи и имеет напряжение коэффициент стоячей волны (КСВН) менее 2 : 1 в указанной полосе частот.

В антеннах меньшего размера он также может быть разработан для введения поляризации. Taoglas PC140.07.0100A представляет собой антенну с круговой поляризацией 2.45 ГГц (номинал) для промышленных, научных и медицинских приложений (ISM), Bluetooth и Wi-Fi (рис. 7).

Рисунок 7: Миниатюрная антенна Taoglas PC140.07.0100A предназначена для встраивания в корпус вместе с системой. схема доска. (Изображение предоставлено Таогласом)

Эта крошечная 50-омная антенна размером всего 57 x 57 квадратных мм и толщиной 0.97 мм оснащена коаксиальным кабелем диаметром 1.13 мм и длиной 100 мм с разъемами IPEX (стандартный разъем для поверхностного монтажа 50 Ом, припаянный непосредственно к печатной плате). ). Эта антенна изготовлена ​​из печатной платы FR-4 и поставляется с наклейками для легкой установки.

Как видно из диаграмм направленности XY и XZ (рис. 8), диаграмма направленности этой антенны является всенаправленной. Его коэффициент стоячей волны ниже 2:1, а его эффективность составляет около 60% в диапазоне рабочих частот 2.4–2.5 ГГц.

Рис. 8. Диаграмма направленности антенны Taoglas PC140.07.0100A демонстрирует сравнимую всенаправленность в плоскостях XY (слева) и XZ (справа). (Изображение предоставлено Таогласом)

в заключение

Поляризация — важное свойство антенны, которым часто пренебрегают. Линейная (как горизонтальная, так и вертикальная) поляризация, наклонная поляризация, круговая поляризация и эллиптическая поляризация используются для различных приложений. Диапазон сквозных радиочастотных характеристик, которых может достичь антенна, зависит от ее относительной ориентации и юстировки. Стандартные антенны имеют разную поляризацию и подходят для разных частей спектра, обеспечивая предпочтительную поляризацию для целевого приложения.

Инженеры-электронщики знают, что антенны посылают и принимают сигналы в виде волн электромагнитной (ЭМ) энергии, описываемых уравнениями Максвелла. Как и многие темы, эти уравнения и распространение, свойства электромагнетизма можно изучать на разных уровнях, от относительно качественных терминов до сложных уравнений.

Распространение электромагнитной энергии включает в себя множество аспектов, одним из которых является поляризация, и может иметь разную степень влияния или внимания в приложении и конструкции его антенны. Фундаментальные принципы поляризации применимы ко всем электромагнитным излучениям, включая радиочастотное/беспроводное излучение, световую энергию, а также часто используются в оптических приложениях. Эта статья посвящена только RF.

Что такое поляризация антенны?

Прежде чем понять поляризацию, мы должны сначала понять основные принципы электромагнитных волн. Эти волны состоят из электрического поля (поле E) и магнитного поля (поле H) и движутся в одном направлении. Поле E и поле H перпендикулярны друг другу и направлению распространения плоской волны.

Поляризация относится к виду плоскости электрического поля с точки зрения передатчика сигнала: для горизонтальной поляризации электрическое поле будет перемещаться в горизонтальной плоскости, а для вертикальной поляризации электрическое поле будет колебаться вверх и вниз в вертикальной плоскости ( Рисунок 1).

Рисунок 1: Волны электромагнитной энергии состоят из взаимно перпендикулярных компонентов E-поля и H-поля. (Изображение предоставлено Electronics-Notes)

Пара передающих и приемных антенн работает лучше всего, когда поляризации передающих и приемных антенн находятся в одной плоскости. Конечно, как в «В космосе никто не услышит, как ты кричишь» (извинения и кивки классическому «Чужому» 1979 года). В космосе действительно нет ни горизонтали, ни вертикали. Тем не менее, концепции поляризации и юстировки антенны остаются в силе для максимальной передачи и захвата энергии сигнала.

Линейная и круговая поляризация

Режимы поляризации включают следующее:

• В базовой линейной поляризации две возможные поляризации ортогональны (перпендикулярны) друг другу (рис. 2). Теоретически приемная антенна с горизонтальной поляризацией не «увидит» сигнал от антенны с вертикальной поляризацией и наоборот, даже если обе они работают на одной частоте. Чем лучше они выровнены, тем больше сигнала улавливается, а передача энергии максимизируется при совпадении поляризаций.

Рисунок 2: Линейная поляризация обеспечивает два варианта поляризации под прямым углом друг к другу. (Изображение предоставлено Mimosa Networks, Inc.)

• Наклонная поляризация антенны является разновидностью линейной поляризации. Подобно базовой горизонтальной и вертикальной поляризации, эта поляризация имеет смысл только в земной среде. Наклонная поляризация находится под углом ± 45 градусов от горизонтальной базовой плоскости. Хотя на самом деле это просто еще одна форма линейной поляризации, термин «линейная» обычно относится только к антеннам с горизонтальной или вертикальной поляризацией.

Несмотря на некоторые потери, сигнал, передаваемый (или принимаемый) наклонной антенной, возможен для антенн, поляризованных только горизонтально или вертикально. Антенны с наклонной поляризацией полезны, когда поляризация одной или обеих антенн неизвестна или изменяется во время использования.

• Круговая поляризация (КП) более сложна, чем линейная поляризация. В этом режиме поляризация, представленная вектором электрического поля, вращается по мере распространения сигнала. При вращении вправо (если смотреть из передатчика) круговая поляризация называется правосторонней круговой поляризацией (RHCP); при вращении влево это левосторонняя круговая поляризация (LHCP) (рис. 3).

Рисунок 3: При круговой поляризации вектор электрического поля электромагнитной волны вращается; это вращение может быть правосторонним или левосторонним. (Изображение предоставлено JEM Engineering)

Сигнал CP состоит из двух квадратурных волн, которые не совпадают по фазе. Для генерации сигнала СР необходимы три условия. Электронное поле должно состоять из двух квадратурных компонент; два компонента должны быть сдвинуты по фазе на 90 градусов и равны по амплитуде. Простой способ генерировать CP — использовать спиральную антенну.

• Эллиптическая поляризация (ЭП) является разновидностью КП. Эллиптически поляризованная волна — это усиление, создаваемое двумя линейно поляризованными волнами, как и CP-волна. При объединении двух взаимно перпендикулярных линейно поляризованных волн неравной амплитуды получается эллиптически поляризованная волна.

Рассогласование поляризации между антеннами описывается коэффициентом поляризационных потерь (PLF). Этот параметр выражается в децибелах (дБ) и является функцией разницы угла поляризации между передающей и приемной антеннами. Теоретически PLF может варьироваться от 0 дБ (без потерь) для идеально выровненной антенны до бесконечности дБ (бесконечные потери) для идеально ортогональной антенны.

В действительности, однако, выравнивание (или смещение) поляризации не является идеальным, поскольку механическое положение антенны, поведение пользователя, искажение канала, многолучевые отражения и другие явления могут вызывать некоторые угловые искажения передаваемого электромагнитного поля. Первоначально будет иметь место 10–30 дБ или более кросс-поляризационной «утечки» сигнала из-за ортогональных поляризаций, чего в некоторых случаях может быть достаточно, чтобы помешать восстановлению полезного сигнала.

И наоборот, для двух идеально поляризованных и выровненных антенн фактическая PLF может составлять 10 дБ, 20 дБ или более, в зависимости от ситуации, и может препятствовать восстановлению сигнала. Другими словами, непреднамеренная кросс-поляризация и PLF действуют в обоих направлениях, мешая полезному сигналу или уменьшая мощность полезного сигнала.

Зачем фокусироваться на поляризации?

Поляризация работает двумя способами: чем лучше совмещены две антенны и одинаковая поляризация, тем выше сила принимаемого сигнала. И наоборот, плохое выравнивание поляризации может затруднить для предполагаемого или неудовлетворительного приемника захват достаточного количества полезного сигнала. Во многих случаях «канал» искажает передаваемую поляризацию или одна или обе антенны не имеют фиксированного статического направления.

Выбор используемой поляризации обычно определяется установкой или атмосферными условиями. Например, антенна с горизонтальной поляризацией будет работать лучше и сохранять свою поляризацию при установке у потолка; и наоборот, антенна с вертикальной поляризацией будет работать ближе к номинальным характеристикам поляризации при установке вблизи боковой стены.

Широко используемые дипольные антенны (простые или складчатые) имеют горизонтальную поляризацию в своей «нормальной» монтажной ориентации (Рисунок 4) и часто поворачиваются на 90 градусов для демонстрации вертикальной поляризации, когда это необходимо, или для поддержки предпочтительного режима поляризации (Рисунок 4). Рисунок 5).

Рис. 4. Дипольная антенна обычно устанавливается горизонтально на мачте для обеспечения горизонтальной поляризации. (Источник изображения: KAC Radio)

Рис. 5: Для приложений, требующих вертикальной поляризации, можно установить дипольную антенну, соответствующую антенне. (Изображение предоставлено: Progressive Concepts)

Вертикальная поляризация обычно используется в портативных мобильных радиостанциях, таких как те, которые используются службами быстрого реагирования, потому что многие конструкции радиоантенн с вертикальной поляризацией также обеспечивают всенаправленную диаграмму направленности. Следовательно, эти антенны не нужно переориентировать, даже если ориентация радиостанции и антенны изменится.

Антенны высокой частоты (ВЧ) 3–30 МГц обычно представляют собой простые конструкции из длинных проводов, горизонтально натянутые между кронштейнами. Его длина определяется длиной волны (10 – 100 м). Такие антенны имеют естественную горизонтальную поляризацию.

Стоит отметить, что называть эту полосу «высокой частотой» начали десятилетия назад, когда 30 МГц действительно считались высокой частотой. Хотя сейчас это описание кажется устаревшим, оно официально обозначено Международным союзом электросвязи и до сих пор широко используется.

Предпочтительная поляризация может быть определена двумя способами: либо наземные волны для более сильной передачи сигналов ближнего действия через вещательное оборудование, использующее диапазон средних волн (MW) 300 кГц – 3 МГц, либо небесные волны для более дальних расстояний через ионосферную связь. Как правило, антенны с вертикальной поляризацией лучше распространяют земные волны, а антенны с горизонтальной поляризацией работают лучше.

Круговая поляризация широко используется в спутниках, поскольку ориентация спутников относительно наземных станций и других спутников постоянно меняется. Эффективность между передающей и приемной антеннами максимальна, когда и передающая, и приемная антенны имеют круговую поляризацию, но с CP-антеннами можно использовать антенны с линейной поляризацией, хотя существует коэффициент поляризационных потерь.

Поляризация также важна для систем 5G. Некоторые антенные решетки 5G с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) обеспечивают повышенную пропускную способность за счет более эффективной поляризации с использованием доступного спектра. Это достигается с помощью комбинации различных поляризаций сигнала и пространственного мультиплексирования антенн (пространственное разнесение).

Система может передавать два потока данных, которые могут быть восстановлены по отдельности, поскольку они соединены отдельными антеннами с ортогональной поляризацией. Даже при некоторой кроссполяризации из-за искажений пути и канала, отражений, многолучевости и других дефектов сложные алгоритмы, используемые приемником, восстанавливают каждый исходный сигнал, что приводит к низкой частоте ошибок по битам (BER) и, в конечном счете, к более эффективному использованию спектра.

Стандартные антенны обеспечивают варианты поляризации

Естественно думать, что проблемы с поляризацией возникают только у хорошо заметных больших антенн, установленных на мачте, но это не так. Например, PCTel BOAH515905NM — это антенна Wi-Fi с горизонтальной поляризацией для диапазона частот 5.1–5.9 ГГц, в первую очередь для наружных точек доступа 802.11ac (рис. 6).

Рис. 6. Горизонтально поляризованная Wi-Fi-антенна PCTel BOAH515905NM предназначена для
Соединение Wi-Fi 5.9 ГГц (802.11 ac) обеспечивает внешнюю точку доступа. (Изображение предоставлено PCTel)

Эта полностью герметичная антенна со степенью защиты IP67 имеет белый пластиковый обтекатель. Обтекатель прочный и устойчивый к ультрафиолетовому излучению и включает в себя встроенный соединитель N-типа для монтажа на панель (доступны версии с вилкой и розеткой). Обтекатель имеет внешний диаметр 1.26 x 6.32 дюйма (3.20 x 16.1 см), обеспечивает номинальное усиление 5 дБи и имеет коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) менее 2 : 1 в указанном диапазоне частот.

В антеннах меньшего размера он также может быть разработан для введения поляризации. Taoglas PC140.07.0100A представляет собой антенну с круговой поляризацией 2.45 ГГц (номинал) для промышленных, научных и медицинских приложений (ISM), Bluetooth и Wi-Fi (рис. 7).

Рис. 7: Миниатюрная антенна Taoglas PC140.07.0100A предназначена для встраивания в корпус вместе с печатной платой системы. (Изображение предоставлено Таогласом)

Эта крошечная 50-омная антенна размером всего 57 x 57 квадратных мм и толщиной 0.97 мм оснащена коаксиальным кабелем диаметром 1.13 мм и длиной 100 мм с разъемами IPEX (стандартный разъем для поверхностного монтажа 50 Ом, припаянный непосредственно к печатной плате). ). Эта антенна изготовлена ​​из печатной платы FR-4 и поставляется с наклейками для легкой установки.

Как видно из диаграмм направленности XY и XZ (рис. 8), диаграмма направленности этой антенны является всенаправленной. Его коэффициент стоячей волны ниже 2:1, а его эффективность составляет около 60% в диапазоне рабочих частот 2.4–2.5 ГГц.

Рис. 8. Диаграмма направленности антенны Taoglas PC140.07.0100A демонстрирует сравнимую всенаправленность в плоскостях XY (слева) и XZ (справа). (Изображение предоставлено Таогласом)

в заключение

Поляризация — важное свойство антенны, которым часто пренебрегают. Линейная (как горизонтальная, так и вертикальная) поляризация, наклонная поляризация, круговая поляризация и эллиптическая поляризация используются для различных приложений. Диапазон сквозных радиочастотных характеристик, которых может достичь антенна, зависит от ее относительной ориентации и юстировки. Стандартные антенны имеют разную поляризацию и подходят для разных частей спектра, обеспечивая предпочтительную поляризацию для целевого приложения.