Aktualności
Polaryzacja anteny: czym jest i dlaczego ma znaczenie
Szacowany czas czytania: 15 minut
Każdy inżynier elektroniki wie, że anteny nadają i odbierają sygnały w postaci fal elektromagnetycznych (fal energii elektromagnetycznej), których właściwości można opisać za pomocą równań Maxwella. Podobnie jak wiele wyspecjalizowanych zagadnień technicznych, możemy interpretować te równania, wraz z zasadami propagacji i charakterystykami fal elektromagnetycznych, z wielu perspektyw — od stosunkowo prostych opisów jakościowych po złożone, rozbudowane wzory matematyczne.
Polaryzacja jest jedną z wielu charakterystyk propagacji energii elektromagnetycznej. Jej wpływ i stopień, w jakim należy ją uwzględniać, znacznie różnią się w zależności od scenariuszy zastosowań i odpowiadających im konstrukcji anten. Podstawowe zasady polaryzacji dotyczą całego promieniowania elektromagnetycznego, w tym sygnałów radiowych (RF)/bezprzewodowych oraz energii fal świetlnych, a polaryzacja jest szeroko stosowana w optyce. Ten artykuł obejmuje wyłącznie pasmo częstotliwości RF.
Czym jest polaryzacja anteny?
Aby zrozumieć polaryzację, należy najpierw opanować podstawy fal elektromagnetycznych. Fala elektromagnetyczna składa się z pola elektrycznego (E-pole) i pola magnetycznego (H-pole) przemieszczających się w tym samym kierunku. Pole elektryczne i pole magnetyczne są względem siebie prostopadłe, a oba są prostopadłe do kierunku propagacji fali płaskiej.
Polaryzację definiuje się jako płaszczyznę drgań pola elektrycznego obserwowaną od strony nadajnika w kierunku rozchodzenia się fali. Przy polaryzacji poziomej pole elektryczne oscyluje z boku na bok w płaszczyźnie poziomej; przy polaryzacji pionowej pole elektryczne drga w górę i w dół w płaszczyźnie pionowej (zobacz rysunek 1).
Rysunek 1: Fala elektromagnetyczna z wzajemnie prostopadłymi składowymi pola elektrycznego i magnetycznego
Anteny nadawcze i odbiorcze tworzą parę antena wydajność nadajnika-odbiornika osiąga maksimum, gdy obie mają identyczne płaszczyzny polaryzacji. Nawiązując do kultowego cytatu z filmu z 1979 roku Obcy— „W kosmosie nikt nie usłyszy twojego krzyku” — w przestrzeni kosmicznej nie istnieje wrodzone rozróżnienie między polaryzacją poziomą i pionową. Mimo to teorie dopasowania polaryzacji i ustawienia anten nadal obowiązują, aby maksymalizować transmisję i odbiór energii sygnału.
Polaryzacja liniowa i kołowa
Fale elektromagnetyczne charakteryzują się wieloma trybami polaryzacji:
- Podstawowa polaryzacja liniowa obejmuje dwie wzajemnie ortogonalne (prostopadłe) formy polaryzacji (zobacz rysunek 2). Teoretycznie poziomo spolaryzowana antena odbiorcza nie może przechwycić żadnego sygnału emitowanego przez pionowo spolaryzowaną antenę nadawczą pracującą na tej samej częstotliwości i odwrotnie. Im bliższe są orientacje polaryzacji obu anten, tym silniejszy jest odbierany sygnał; wydajność transferu energii sygnału osiąga maksimum przy idealnym dopasowaniu polaryzacji.
Rysunek 2: Polaryzacja liniowa oferuje dwie wzajemnie ortogonalne formy polaryzacji
- Polaryzacja skośna jest odmianą polaryzacji liniowej. Podobnie jak standardowa polaryzacja pozioma i pionowa, definicja ta dotyczy wyłącznie scenariuszy naziemnych. Polaryzacja skośna tworzy kąt ±45° względem płaszczyzny poziomej. Chociaż polaryzacja skośna jest zasadniczo liniowa, gdy specjaliści branżowi odnoszą się do „polaryzacji liniowej”, zwykle mają na myśli wyłącznie anteny o polaryzacji poziomej lub pionowej.
- Sygnały emitowane lub odbierane przez anteny o polaryzacji skośnej mogą być odbierane przez anteny wyłącznie poziomo lub pionowo spolaryzowane, choć z pewną utratą sygnału. Anteny o polaryzacji skośnej są idealne w zastosowaniach, w których stan polaryzacji jednej lub obu anten jest nieznany albo polaryzacja zmienia się podczas pracy.
- Polaryzacja kołowa (CP) jest bardziej złożona niż polaryzacja liniowa. W tym trybie polaryzacji wektor pola elektrycznego stale się obraca podczas propagacji sygnału. Patrząc od strony nadajnika na zewnątrz, obrót wektora pola elektrycznego zgodnie z ruchem wskazówek zegara nazywa się prawoskrętną polaryzacją kołową (RHCP); obrót przeciwny do ruchu wskazówek zegara to lewoskrętna polaryzacja kołowa (LHCP) (zobacz rysunek 3).
Rysunek 3: Wektor pola elektrycznego kołowo spolaryzowanych fal elektromagnetycznych obraca się, dzieląc je na typ prawoskrętny i lewoskrętny
Sygnały o polaryzacji kołowej powstają przez nałożenie dwóch ortogonalnych fal elektromagnetycznych z przesunięciem fazowym 90°. Aby wygenerować polaryzację kołową, muszą być spełnione trzy warunki: pole elektryczne musi zawierać dwie ortogonalne składowe; obie składowe muszą mieć różnicę faz 90°; a obie składowe muszą mieć taką samą amplitudę. Anteny śrubowe zapewniają proste rozwiązanie do generowania fal o polaryzacji kołowej.
- Polaryzacja eliptyczna (EP) jest pochodną polaryzacji kołowej. Podobnie jak fale o polaryzacji kołowej, fale o polaryzacji eliptycznej są syntezowane z dwóch fal o polaryzacji liniowej. Polaryzacja eliptyczna powstaje, gdy dwie wzajemnie prostopadłe fale o polaryzacji liniowej i nierównych amplitudach zostaną nałożone na siebie.
Stopień niedopasowania polaryzacji między dwiema antenami jest określany ilościowo przez współczynnik strat polaryzacji (PLF), mierzony w decybelach (dB). Jego wartość zależy od kąta polaryzacji między anteną nadawczą i odbiorczą. Teoretycznie PLF wynosi 0 dB przy idealnym dopasowaniu polaryzacji (brak strat); jeśli dwie anteny są całkowicie ortogonalnie spolaryzowane, PLF dąży do nieskończoności (całkowite tłumienie sygnału).
W rzeczywistych zastosowaniach anteny nie mogą osiągnąć idealnie dopasowanej ani całkowicie ortogonalnej polaryzacji. Niewłaściwe ustawienie podczas instalacji mechanicznej, błędy operatorów, zniekształcenia kanału, odbicia wielodrogowe i inne czynniki wprowadzają odchylenia kątowe kierunku polaryzacji nadawanego pola elektrycznego. Nawet jeśli dwie anteny są zaprojektowane dla ortogonalnej polaryzacji, w praktyce nadal występuje przeciek polaryzacji skrośnej wynoszący od 10 do 30 dB lub więcej. W niektórych scenariuszach ten przeciekający sygnał jest wystarczająco silny, aby zakłócać demodulację pożądanego sygnału.
Z drugiej strony, nawet przy idealnej polaryzacji i precyzyjnym ustawieniu dwóch anten, rzeczywiste czynniki środowiskowe mogą zwiększyć PLF do 10 dB, 20 dB lub więcej, pogarszając odbiór sygnału. Mówiąc prosto, niezamierzona polaryzacja skrośna i wysokie współczynniki strat polaryzacji powodują dwa niekorzystne skutki: wprowadzają sygnały zakłócające i osłabiają siłę docelowego użytecznego sygnału.
Dlaczego charakterystyka polaryzacji ma znaczenie
Polaryzacja podlega zasadzie dwukierunkowej: im lepiej dopasowane i spójne są typy polaryzacji dwóch anten, tym większa jest siła odbieranego sygnału. Z drugiej strony słabe dopasowanie polaryzacji utrudnia zarówno docelowym odbiornikom, jak i odbiornikom zakłóceń przechwycenie wystarczająco silnych użytecznych sygnałów. W większości scenariuszy kanał bezprzewodowy zmienia stan polaryzacji nadawanego sygnału albo jeden lub oba nadajniki-odbiorniki nie mogą utrzymać stałej orientacji anteny.
Wybór trybu polaryzacji jest zazwyczaj określany przez środowisko instalacji i warunki propagacji atmosferycznej. Na przykład anteny o polaryzacji poziomej zapewniają lepszą wydajność sygnału i bardziej stabilną polaryzację, gdy są montowane blisko sufitów; przeciwnie, anteny o polaryzacji pionowej instalowane przy ścianach bocznych wykazują zachowanie polaryzacji bliższe swoim nominalnym specyfikacjom projektowym.
Typowe anteny dipolowe (standardowe dipole / dipole składane) działają przy polaryzacji poziomej w przypadku konwencjonalnego montażu (zobacz rysunek 4). Jeśli wymagane jest dopasowanie do określonego trybu polaryzacji, antenę można obrócić o 90°, aby przełączyć ją na polaryzację pionową (zobacz rysunek 5).
KSZTAŁT \* MERGEFORMAT
Rysunek 4: Anteny dipolowe są zazwyczaj montowane poziomo na masztach dla polaryzacji poziomej
KSZTAŁT \* MERGEFORMAT
Rysunek 5: Anteny dipolowe można instalować pionowo na masztach w celu uzyskania polaryzacji pionowej, gdy wymaga tego zastosowanie
Polaryzacja pionowa jest szeroko stosowana w ręcznych krótkofalówkach, takich jak urządzenia przenoszone przez personel ratowniczy. Wynika to z faktu, że większość pionowo spolaryzowanych anten radiowych charakteryzuje się dookólnymi wzorcami promieniowania — co oznacza, że użytkownicy nie muszą ponownie regulować azymutu anteny, nawet gdy orientacja urządzenia przenośnego stale się zmienia.
Większość anten działających w paśmie wysokiej częstotliwości (HF) 3–30 MHz wykorzystuje proste konstrukcje anten długoprzewodowych rozciągniętych poziomo między podporami. Ich duży rozmiar fizyczny jest określony przez odpowiadającą długość fali (10–100 metrów), a takie anteny są z natury spolaryzowane poziomo.
Co ciekawe, pasmo to nazwano „wysoką częstotliwością” dziesiątki lat temu, gdy 30 MHz kwalifikowało się jako zakres wysokich częstotliwości. Choć obecnie nazwa ta wydaje się przestarzała, pozostaje oficjalnym oznaczeniem pasma zdefiniowanym przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU) i nadal jest powszechnie używana.
Pasmo fal średnich (MW) obejmuje zakres od 300 kHz do 3 MHz. Polaryzacja wybierana przez stacje nadawcze w tym paśmie zależy od tego, czy stacja wykorzystuje fale przyziemne do krótkiego zasięgu i silnego pokrycia sygnałem, czy fale jonosferyczne do transmisji dalekiego zasięgu. Ogólnie rzecz biorąc, anteny spolaryzowane pionowo zapewniają lepszą propagację fal przyziemnych, natomiast anteny spolaryzowane poziomo lepiej nadają się do łączności wykorzystującej fale jonosferyczne.
Łączność satelitarna w dużym stopniu opiera się na polaryzacji kołowej. Satelity stale zmieniają swoje położenie względem stacji naziemnych i innych satelitów. Efektywność transmisji sygnału osiąga maksimum, gdy zarówno nadajniki, jak i odbiorniki wykorzystują anteny o polaryzacji kołowej; połączenie anten spolaryzowanych liniowo z antenami spolaryzowanymi kołowo działa, ale wprowadza mierzalny współczynnik strat polaryzacyjnych.
Charakterystyka polaryzacji ma równie duże znaczenie dla systemów 5G. Niektóre macierze antenowe 5G Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) wykorzystują technologię polaryzacji w celu bardziej efektywnego wykorzystania zasobów widma, zwiększając szybkość transmisji. Osiąga się to poprzez łączenie różnych trybów polaryzacji sygnałów z przestrzennym multipleksowaniem antenowym (różnorodnością przestrzenną). Takie systemy jednocześnie przesyłają dwa niezależne strumienie danych, przy czym każdy strumień jest doprowadzany do oddzielnych anten o wzajemnie ortogonalnych polaryzacjach, co pozwala odbiornikowi osobno demodulować oba strumienie. Chociaż czynniki nieidealne, w tym ścieżki propagacji, zniekształcenia kanału, odbicia i efekty wielodrogowe, powodują niewielkie zakłócenia między polaryzacjami, odbiorniki kompensują je wewnętrznie.
Podsumowanie
Polaryzacja jest istotną, lecz często pomijaną cechą anten. Polaryzacja liniowa (obejmująca warianty poziome i pionowe), polaryzacja skośna, polaryzacja kołowa oraz polaryzacja eliptyczna odpowiadają różnym scenariuszom zastosowań. Względna orientacja i stopień dopasowania anten po stronie nadawczej i odbiorczej bezpośrednio wpływają na ogólną wydajność całego łącza RF. Dostępna jest szeroka gama standardowych anten obejmujących wszystkie typy polaryzacji i pasma częstotliwości RF, zapewniających rozwiązania polaryzacyjne dostosowane do wszystkich docelowych zastosowań.
