Elektronikingeniører ved, at antenner sender og modtager signaler i form af bølger af elektromagnetisk (EM) energi beskrevet af Maxwells ligninger. Som med mange emner kan disse ligninger, og udbredelsesegenskaberne ved elektromagnetisme, studeres på forskellige niveauer, fra relativt kvalitative termer til komplekse ligninger.
Der er mange aspekter ved udbredelse af elektromagnetisk energi, hvoraf et er polarisering, som kan have varierende grader af indflydelse eller bekymring i applikationer og deres antennedesign. De grundlæggende principper for polarisering gælder for al elektromagnetisk stråling, herunder RF/trådløs, optisk energi, og bruges ofte i optiske applikationer.
Hvad er antennepolarisering?
Før vi forstår polarisering, skal vi først forstå de grundlæggende principper for elektromagnetiske bølger. Disse bølger er sammensat af elektriske felter (E-felter) og magnetiske felter (H-felter) og bevæger sig i én retning. E- og H-felterne er vinkelrette på hinanden og på retningen af den plane bølgeudbredelse.
Polarisering refererer til E-feltplanet set fra signaltransmitterens perspektiv: ved horisontal polarisering vil det elektriske felt bevæge sig sidelæns i det vandrette plan, mens ved vertikal polarisering vil det elektriske felt oscillere op og ned i det lodrette plan (figur 1).
Figur 1: Elektromagnetiske energibølger består af indbyrdes vinkelrette E- og H-feltkomponenter
Lineær polarisering og cirkulær polarisering
Polariseringstilstande omfatter følgende:
I grundlæggende lineær polarisering er de to mulige polarisationer ortogonale (vinkelrette) i forhold til hinanden (figur 2). I teorien vil en vandret polariseret modtageantenne ikke "se" et signal fra en vertikalt polariseret antenne og omvendt, selvom begge opererer på samme frekvens. Jo bedre de er justeret, jo mere signal opfanges, og energioverførslen maksimeres, når polarisationerne matcher.
Figur 2: Lineær polarisering giver to polariseringsmuligheder vinkelret på hinanden
Antennens skrå polarisering er en type lineær polarisering. Ligesom grundlæggende horisontal og vertikal polarisering giver denne polarisering kun mening i et jordisk miljø. Skrå polarisering er i en vinkel på ±45 grader i forhold til det horisontale referenceplan. Selvom dette egentlig bare er en anden form for lineær polarisering, refererer udtrykket "lineær" normalt kun til horisontalt eller vertikalt polariserede antenner.
Trods visse tab er signaler, der sendes (eller modtages) af en diagonal antenne, mulige med kun vandret eller lodret polariserede antenner. Skråt polariserede antenner er nyttige, når polariseringen af en eller begge antenner er ukendt eller ændrer sig under brug.
Cirkulær polarisering (CP) er mere kompleks end lineær polarisering. I denne tilstand roterer polariseringen repræsenteret af E-feltvektoren, mens signalet udbreder sig. Når den roteres til højre (set ud fra senderen), kaldes cirkulær polarisering højrehåndet cirkulær polarisering (RHCP); når den roteres til venstre, kaldes den venstrehåndet cirkulær polarisering (LHCP) (Figur 3).
Figur 3: Ved cirkulær polarisering roterer E-feltvektoren for en elektromagnetisk bølge; denne rotation kan være højre- eller venstredrejet.
Et CP-signal består af to ortogonale bølger, der er ude af fase. Tre betingelser er påkrævet for at generere et CP-signal. E-feltet skal bestå af to ortogonale komponenter; de to komponenter skal være 90 grader ude af fase og have samme amplitude. En simpel måde at generere CP på er at bruge en spiralformet antenne.
Elliptisk polarisering (EP) er en type CP. Elliptisk polariserede bølger er den forstærkning, der produceres af to lineært polariserede bølger, ligesom CP-bølger. Når to indbyrdes vinkelrette lineært polariserede bølger med ulige amplituder kombineres, produceres en elliptisk polariseret bølge.
Polarisationsmismatchen mellem antenner beskrives af polarisationstabsfaktoren (PLF). Denne parameter udtrykkes i decibel (dB) og er en funktion af forskellen i polarisationsvinkel mellem sende- og modtagerantennerne. Teoretisk set kan PLF variere fra 0 dB (intet tab) for en perfekt justeret antenne til uendelig dB (uendeligt tab) for en perfekt ortogonal antenne.
I virkeligheden er polariseringsjusteringen (eller fejljusteringen) dog ikke perfekt, fordi antennens mekaniske position, brugeradfærd, kanalforvrængning, flervejsrefleksioner og andre fænomener kan forårsage en vis vinkelforvrængning af det transmitterede elektromagnetiske felt. I starten vil der være 10-30 dB eller mere krydspolariserings"lækage" fra den ortogonale polarisering, hvilket i nogle tilfælde kan være nok til at forstyrre genoprettelsen af det ønskede signal.
I modsætning hertil kan den faktiske PLF for to justerede antenner med ideel polarisering være 10 dB, 20 dB eller større, afhængigt af omstændighederne, og kan hindre signalgendannelse. Med andre ord kan utilsigtet krydspolarisering og PLF virke begge veje ved at forstyrre det ønskede signal eller reducere den ønskede signalstyrke.
Hvorfor bekymre sig om polarisering?
Polarisering fungerer på to måder: jo mere justerede to antenner er og har den samme polarisering, desto bedre er styrken af det modtagne signal. Omvendt gør dårlig polariseringsjustering det vanskeligere for modtagere, enten tilsigtede eller utilfredse, at opfange nok af det interessante signal. I mange tilfælde forvrænger "kanalen" den transmitterede polarisering, eller en eller begge antenner er ikke i en fast statisk retning.
Valget af polarisering afhænger normalt af installationen eller de atmosfæriske forhold. For eksempel vil en vandret polariseret antenne yde bedre og bevare sin polarisering, når den installeres nær loftet; omvendt vil en vertikalt polariseret antenne yde bedre og bevare sin polarisering, når den installeres nær en sidevæg.
Den udbredte dipolantenne (almindelig eller foldet) er vandret polariseret i sin "normale" monteringsretning (figur 4) og roteres ofte 90 grader for at antage lodret polarisering, når det er nødvendigt, eller for at understøtte en foretrukken polariseringstilstand (figur 5).
Figur 4: En dipolantenne er normalt monteret vandret på sin mast for at give vandret polarisering.
Figur 5: Til anvendelser, der kræver vertikal polarisering, kan dipolantennen monteres i overensstemmelse hermed, hvor antennen griber fat.
Vertikal polarisering bruges almindeligvis til håndholdte mobile radioer, såsom dem, der bruges af førstehjælpere, fordi mange vertikalt polariserede radioantennedesign også giver et omnidirektionelt strålingsmønster. Derfor behøver sådanne antenner ikke at blive omorienteret, selvom radioens og antennens retning ændres.
3-30 MHz højfrekvente (HF) antenner er typisk konstrueret som simple lange ledninger, der er trukket sammen vandret mellem beslag. Længden bestemmes af bølgelængden (10-100 m). Denne type antenne er naturligt vandret polariseret.
Det er værd at bemærke, at man begyndte at omtale dette bånd som "højfrekvens" for årtier siden, da 30 MHz faktisk var højfrekvens. Selvom denne beskrivelse nu synes at være forældet, er det en officiel betegnelse fra Den Internationale Telekommunikationsunion og er stadig meget udbredt.
Den foretrukne polarisering kan bestemmes på to måder: enten ved at bruge jordbølger til stærkere kortdistancesignalering fra radioudstyr, der bruger 300 kHz - 3 MHz mellembølgebåndet (MW), eller ved at bruge himmelbølger til længere afstande gennem ionosfæreforbindelsen. Generelt har vertikalt polariserede antenner bedre jordbølgeudbredelse, mens horisontalt polariserede antenner har bedre himmelbølgeydelse.
Cirkulær polarisering bruges i vid udstrækning til satellitter, fordi satellittens orientering i forhold til jordstationer og andre satellitter konstant ændrer sig. Effektiviteten mellem sende- og modtageantenner er størst, når begge er cirkulært polariserede, men lineært polariserede antenner kan bruges med CP-antenner, selvom der er en polariseringstabsfaktor.
Polarisering er også vigtig for 5G-systemer. Nogle 5G multiple-input/multiple-output (MIMO) antennearrays opnår øget gennemløbshastighed ved at bruge polarisering til mere effektivt at udnytte det tilgængelige spektrum. Dette opnås ved hjælp af en kombination af forskellige signalpolariseringer og rumlig multipleksing af antennerne (rumdiversitet).
Systemet kan transmittere to datastrømme, fordi datastrømmene er forbundet af uafhængige ortogonalt polariserede antenner og kan gendannes uafhængigt. Selv hvis der er en vis krydspolarisering på grund af sti- og kanalforvrængning, refleksioner, multipath og andre ufuldkommenheder, anvender modtageren sofistikerede algoritmer til at gendanne hvert originalt signal, hvilket resulterer i lave bitfejlrater (BER) og i sidste ende forbedret spektrumudnyttelse.
afslutningsvis
Polarisering er en vigtig antenneegenskab, der ofte overses. Lineær (inklusive horisontal og vertikal) polarisering, skrå polarisering, cirkulær polarisering og elliptisk polarisering anvendes til forskellige anvendelser. Omfanget af den end-to-end RF-ydelse, som en antenne kan opnå, afhænger af dens relative orientering og justering. Standardantenner har forskellige polariseringer og er egnede til forskellige dele af spektret, hvilket giver den foretrukne polarisering til målapplikationen.
Anbefalede produkter:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parametre | Typisk | Enheder |
| Frekvensområde | 20-30 | GHz |
| Gevinst | 15 Typisk. | dBi |
| VSWR | 1.3 Typisk. | |
| Polarisering | Dobbelt Lineær | |
| Krydspolær isolation | 60 Typisk. | dB |
| Havneisolering | 70 Typisk. | dB |
| Stik | SMA-Fe-mail | |
| Materiale | Al | |
| Efterbehandling | Maling | |
| Størrelse(L*B*H) | 83,9*39,6*69,4±5) | mm |
| Vægt | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Punkt | Specifikation | Enhed |
| Frekvensområde | 1-18 | GHz |
| Gevinst | 10 Typiske | dBi |
| VSWR | 1,5 Typisk. | |
| Polarisering | Lineær | |
| Krydsende Po. Isolering | 30 Typisk. | dB |
| Stik | SMA-Kvinde | |
| Efterbehandling | Pikke | |
| Materiale | Al | |
| Størrelse(L*B*H) | 182,4*185,1*116,6±5) | mm |
| Vægt | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Parametre | Typisk | Enheder |
| Frekvensområde | 2-18 | GHz |
| Gevinst | 15 Typisk. | dBi |
| VSWR | 1,5 Typisk. |
|
| Polarisering | Dobbelt Lineær |
|
| Krydspolær isolation | 40 | dB |
| Havneisolering | 40 | dB |
| Stik | SMA-F |
|
| Overfladebehandling | Pikke |
|
| Størrelse(L*B*H) | 276*147*147(±5) | mm |
| Vægt | 0,945 | kg |
| Materiale | Al |
|
| Driftstemperatur | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parametre | Typisk | Enheder |
| Frekvensområde | 93-95 | GHz |
| Gevinst | 22 Typisk. | dBi |
| VSWR | 1.3 Typisk. |
|
| Polarisering | Dobbelt Lineær |
|
| Krydspolær isolation | 60 Typisk. | dB |
| Havneisolering | 67 Typisk. | dB |
| Stik | WR10 |
|
| Materiale | Cu |
|
| Efterbehandling | Gylden |
|
| Størrelse(L*B*H) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Vægt | 0,015 | kg |
Opslagstidspunkt: 11. april 2024
