Поляризация антенны: что это такое и почему она важна

WWW.WHWIRELESS.COM

Расчетное время чтения: 15 минут

Каждый инженер-электронщик знает, что антенны передают и принимают сигналы в форме электромагнитных волн (волн электромагнитной энергии), свойства которых можно описать уравнениями Максвелла. Как и многие специализированные технические темы, эти уравнения, наряду с правилами распространения и характеристиками электромагнитных волн, можно рассматривать с разных точек зрения — от относительно простых качественных описаний до сложных детализированных математических формул.

Поляризация является одной из многочисленных характеристик распространения электромагнитной энергии. Ее влияние и степень необходимости учета сильно различаются в разных сценариях применения и соответствующих конструкциях антенн. Основные принципы поляризации применимы ко всему электромагнитному излучению, включая радиочастотные (RF)/беспроводные сигналы и световую энергию, а поляризация широко используется в области оптики. Эта статья рассматривает только радиочастотный диапазон.

Что такое поляризация антенны?

Чтобы понять поляризацию, сначала необходимо освоить основы электромагнитных волн. Электромагнитная волна состоит из электрического поля (E-поля) и магнитного поля (H-поля), распространяющихся в одном направлении. Электрическое и магнитное поля перпендикулярны друг другу, и оба перпендикулярны направлению распространения плоской волны.

Поляризация определяется как плоскость колебаний электрического поля при наблюдении от передающего конца в направлении распространения волны. При горизонтальной поляризации электрическое поле колеблется из стороны в сторону в горизонтальной плоскости; при вертикальной поляризации электрическое поле колеблется вверх и вниз в вертикальной плоскости (см. рисунок 1).

Рисунок 1: Электромагнитная волна с взаимно перпендикулярными компонентами электрического и магнитного полей

Передающая и приемная антенны образуют антенную пару, и производительность приемопередатчика достигает максимума, когда обе имеют одинаковые плоскости поляризации. В качестве отсылки к культовой фразе из фильма 1979 года «Чужой» — «В космосе никто не услышит твой крик» — в открытом космосе не существует внутреннего различия между горизонтальной и вертикальной поляризацией. Тем не менее теории согласования поляризации и выравнивания антенн по-прежнему верны для максимизации передачи и приема энергии сигнала.

Линейная и круговая поляризация

Электромагнитные волны имеют несколько режимов поляризации:

• Базовая линейная поляризация включает две взаимно ортогональные (перпендикулярные) формы поляризации (см. рисунок 2). Теоретически приемная антенна с горизонтальной поляризацией не может принять сигнал, излучаемый передающей антенной с вертикальной поляризацией, работающей на той же частоте, и наоборот. Чем ближе ориентации поляризации двух антенн, тем сильнее принимаемый сигнал; эффективность передачи энергии сигнала достигает максимума при идеальном согласовании поляризации.

Рисунок 2: Линейная поляризация предлагает две взаимно ортогональные формы поляризации

• Наклонная поляризация является разновидностью линейной поляризации. Как и стандартная горизонтальная и вертикальная поляризация, это определение применяется только к наземным сценариям. Наклонная поляризация образует угол ±45° относительно горизонтальной плоскости. Хотя наклонная поляризация по своей сути является линейной, когда специалисты отрасли говорят «линейная поляризация», они обычно имеют в виду только антенны с горизонтальной или вертикальной поляризацией.
• Сигналы, излучаемые или принимаемые антеннами с наклонной поляризацией, могут приниматься антеннами с чисто горизонтальной или вертикальной поляризацией, хотя при этом возникает определенная потеря сигнала. Антенны с наклонной поляризацией идеально подходят для случаев, когда состояние поляризации одной или обеих антенн неизвестно или поляризация изменяется во время работы.
• Круговая поляризация (CP) сложнее линейной поляризации. В этом режиме поляризации вектор электрического поля непрерывно вращается по мере распространения сигнала. Если смотреть наружу от передающего конца, вращение вектора электрического поля по часовой стрелке называется правой круговой поляризацией (RHCP); вращение против часовой стрелки — левой круговой поляризацией (LHCP) (см. рисунок 3).

Рисунок 3: Вектор электрического поля электромагнитных волн с круговой поляризацией вращается и разделяется на правый и левый типы

Сигналы с круговой поляризацией формируются путем наложения двух ортогональных электромагнитных волн со сдвигом фазы 90°. Для создания круговой поляризации должны выполняться три условия: электрическое поле должно содержать две ортогональные компоненты; две компоненты должны иметь разность фаз 90°; обе компоненты должны иметь одинаковую амплитуду. Спиральные антенны предоставляют простое решение для генерации волн с круговой поляризацией.

• Эллиптическая поляризация (EP) является производной от круговой поляризации. Как и волны с круговой поляризацией, волны с эллиптической поляризацией создаются из двух линейно поляризованных волн. Эллиптическая поляризация возникает, когда две взаимно перпендикулярные линейно поляризованные волны с неодинаковой амплитудой накладываются друг на друга.

Степень рассогласования поляризации между двумя антеннами количественно определяется коэффициентом потерь поляризации (PLF), измеряемым в децибелах (дБ). Его значение определяется углом поляризации между передающей и приемной антеннами. Теоретически PLF равен 0 дБ при идеальном согласовании поляризации (нулевые потери); если две антенны полностью ортогонально поляризованы, PLF стремится к бесконечности (полное затухание сигнала).

Однако в реальных приложениях антенны не могут достичь идеально согласованной или полностью ортогональной поляризации. Несовпадение при механической установке, ошибки эксплуатации, искажения канала, многолучевые отражения и другие факторы вызывают угловое отклонение направления поляризации передаваемого электрического поля. Даже если две антенны спроектированы для ортогональной поляризации, на практике все равно возникает утечка кросс-поляризации от 10 до 30 дБ и выше. В некоторых сценариях этот просочившийся сигнал достаточно силен, чтобы мешать демодуляции нужного сигнала.

И наоборот, даже при идеальной поляризации и точном выравнивании двух антенн реальные факторы окружающей среды могут увеличить PLF до 10 дБ, 20 дБ или выше, ухудшая прием сигнала. Проще говоря, непреднамеренная кросс-поляризация и высокие коэффициенты потерь поляризации создают два негативных эффекта: они вводят мешающие сигналы и ослабляют мощность целевого полезного сигнала.

Почему характеристики поляризации имеют значение

Поляризация подчиняется двунаправленному правилу: чем точнее совпадают и согласованы типы поляризации двух антенн, тем выше уровень принимаемого сигнала. Напротив, плохое согласование поляризации затрудняет прием достаточного количества полезных сигналов как целевыми приемниками, так и приемниками помех. В большинстве сценариев беспроводной канал изменяет состояние поляризации передаваемого сигнала, либо один или оба приемопередатчика не могут поддерживать фиксированную неподвижную ориентацию антенны.

Выбор режима поляризации обычно определяется условиями установки и атмосферными условиями распространения. Например, антенны с горизонтальной поляризацией обеспечивают лучшую производительность сигнала и более стабильную поляризацию при установке рядом с потолками; напротив, антенны с вертикальной поляризацией, установленные у боковых стен, демонстрируют поведение поляризации, более близкое к их номинальным проектным характеристикам.

Обычные дипольные антенны (стандартные диполи / складные диполи) работают с горизонтальной поляризацией при традиционной установке (см. рисунок 4). При необходимости соответствия определенному режиму поляризации антенну можно повернуть на 90° для перехода к вертикальной поляризации (см. рисунок 5).

ФОРМА \* MERGEFORMAT

Рисунок 4: Дипольные антенны обычно устанавливаются горизонтально на мачтах для горизонтальной поляризации

ФОРМА \* MERGEFORMAT

Рисунок 5: Дипольные антенны можно устанавливать вертикально на мачтах для вертикальной поляризации, когда этого требует применение

Вертикальная поляризация широко используется в портативных рациях, например в устройствах, которые носят сотрудники аварийно-спасательных служб. Это связано с тем, что большинство радиочастотных антенн с вертикальной поляризацией имеют всенаправленные диаграммы излучения — то есть пользователям не нужно корректировать азимут антенны даже при постоянном изменении ориентации портативного устройства.

Большинство антенн , работающих в диапазоне высоких частот (HF) от 3 до 30 МГц, используют простые конструкции длиннопроводных антенн, натянутых горизонтально между опорами. Их большие физические размеры определяются соответствующей длиной волны (10–100 метров), и такие антенны изначально имеют горизонтальную поляризацию.

Любопытно, что диапазон получил название «высокая частота» несколько десятилетий назад, когда 30 МГц считались диапазоном высоких частот. Хотя сегодня это обозначение кажется устаревшим, оно остается официальным обозначением диапазона, определенным Международным союзом электросвязи (ITU), и по-прежнему повсеместно используется.

Диапазон средних волн (MW) охватывает частоты от 300 кГц до 3 МГц. Выбор поляризации вещательными станциями в этом диапазоне зависит от того, используют ли станции земные волны для покрытия коротких расстояний сильным сигналом или ионосферные пространственные волны для дальней передачи. В целом антенны с вертикальной поляризацией обеспечивают превосходное распространение земных волн, тогда как антенны с горизонтальной поляризацией лучше подходят для связи с использованием пространственных волн.

Спутниковая связь в значительной степени опирается на круговую поляризацию. Спутники постоянно изменяют свое положение относительно наземных станций и других спутников. Эффективность передачи сигнала достигает максимума, когда и передающая, и приемная стороны используют антенны с круговой поляризацией; сочетание антенн с линейной поляризацией и антенн с круговой поляризацией возможно, но приводит к измеримым потерям из-за коэффициента поляризации.

Характеристики поляризации также имеют решающее значение для систем 5G. Некоторые антенные решетки 5G с множеством входов и множеством выходов (MIMO) используют технологию поляризации для более эффективного использования ресурсов спектра, увеличивая скорость передачи данных. Это достигается путем объединения различных режимов поляризации сигналов с пространственным мультиплексированием антенн (пространственным разнесением). Такие системы одновременно передают два независимых потока данных, причем каждый поток подается на отдельные антенны с взаимно ортогональной поляризацией, что позволяет приемнику отдельно демодулировать два потока. Хотя неидеальные факторы, включая пути распространения, искажения канала, отражения и многолучевые эффекты, создают небольшие помехи между поляризациями, приемники компенсируют их внутри системы.

Заключение

Поляризация является важной, но часто игнорируемой характеристикой антенн. Линейная поляризация (включая горизонтальный и вертикальный варианты), наклонная поляризация, круговая поляризация и эллиптическая поляризация подходят для различных сценариев применения. Взаимная ориентация и степень согласования антенн на передающей и приемной сторонах напрямую определяют общую производительность всей радиочастотной линии связи. Широкий ассортимент стандартных антенн, охватывающих все типы поляризации и диапазоны радиочастот, доступен на рынке для реализации схем поляризации, адаптированных ко всем целевым применениям.

WWW.WHWIRELESS.COM