Elektronicatechnici weten dat antennes signalen verzenden en ontvangen in de vorm van golven van elektromagnetische (EM) energie, beschreven door de vergelijkingen van Maxwell. Zoals met veel onderwerpen kunnen deze vergelijkingen, en de voortplantingseigenschappen van elektromagnetisme, op verschillende niveaus worden bestudeerd, van relatief kwalitatieve termen tot complexe vergelijkingen.
De propagatie van elektromagnetische energie kent vele aspecten, waaronder polarisatie. Polarisatie kan een wisselende mate van invloed zijn op toepassingen en antenneontwerpen. De basisprincipes van polarisatie zijn van toepassing op alle elektromagnetische straling, inclusief RF/draadloze en optische energie, en worden vaak gebruikt in optische toepassingen.
Wat is antennepolarisatie?
Voordat we polarisatie begrijpen, moeten we eerst de basisprincipes van elektromagnetische golven begrijpen. Deze golven bestaan uit elektrische velden (E-velden) en magnetische velden (H-velden) en bewegen in één richting. De E- en H-velden staan loodrecht op elkaar en op de voortplantingsrichting van de vlakke golf.
Polarisatie verwijst naar het vlak van het elektrische veld vanuit het perspectief van de signaalzender: bij horizontale polarisatie beweegt het elektrische veld zijwaarts in het horizontale vlak, terwijl bij verticale polarisatie het elektrische veld op en neer oscilleert in het verticale vlak (figuur 1).
Figuur 1: Elektromagnetische energiegolven bestaan uit onderling loodrechte E- en H-veldcomponenten.
Lineaire polarisatie en circulaire polarisatie
Polarisatiemodi omvatten de volgende:
Bij lineaire polarisatie zijn de twee mogelijke polarisaties orthogonaal (loodrecht) op elkaar (figuur 2). Theoretisch gezien zal een horizontaal gepolariseerde ontvangstantenne geen signaal "zien" van een verticaal gepolariseerde antenne en omgekeerd, zelfs als beide op dezelfde frequentie werken. Hoe beter ze op elkaar zijn afgestemd, hoe meer signaal er wordt opgevangen en hoe groter de energieoverdracht is wanneer de polarisaties overeenkomen.
Figuur 2: Lineaire polarisatie biedt twee polarisatieopties die loodrecht op elkaar staan.
De schuine polarisatie van de antenne is een vorm van lineaire polarisatie. Net als de basis horizontale en verticale polarisatie, is deze polarisatie alleen relevant in een aardse omgeving. Schuine polarisatie staat onder een hoek van ±45 graden ten opzichte van het horizontale referentievlak. Hoewel dit in feite een andere vorm van lineaire polarisatie is, verwijst de term "lineair" meestal alleen naar horizontaal of verticaal gepolariseerde antennes.
Ondanks enig verlies zijn signalen die via een diagonale antenne worden verzonden (of ontvangen) alleen mogelijk met horizontaal of verticaal gepolariseerde antennes. Schuin gepolariseerde antennes zijn nuttig wanneer de polarisatie van een of beide antennes onbekend is of verandert tijdens gebruik.
Circulaire polarisatie (CP) is complexer dan lineaire polarisatie. In deze modus roteert de polarisatie, weergegeven door de E-veldvector, naarmate het signaal zich voortplant. Wanneer deze naar rechts roteert (gezien vanuit de zender), wordt circulaire polarisatie rechtshandige circulaire polarisatie (RHCP) genoemd; wanneer deze naar links roteert, linkshandige circulaire polarisatie (LHCP) (Figuur 3).
Figuur 3: Bij circulaire polarisatie roteert de E-veldvector van een elektromagnetische golf; deze rotatie kan rechts- of linksdraaiend zijn.
Een CP-signaal bestaat uit twee orthogonale golven die uit fase zijn. Er zijn drie voorwaarden nodig om een CP-signaal te genereren. Het elektrische veld (E-veld) moet bestaan uit twee orthogonale componenten; de twee componenten moeten 90 graden uit fase zijn en een gelijke amplitude hebben. Een eenvoudige manier om CP te genereren is met behulp van een spiraalantenne.
Elliptische polarisatie (EP) is een type circulaire polarisatie (CP). Elliptisch gepolariseerde golven zijn de versterking die wordt geproduceerd door twee lineair gepolariseerde golven, net als CP-golven. Wanneer twee onderling loodrechte, lineair gepolariseerde golven met ongelijke amplitudes worden gecombineerd, ontstaat een elliptisch gepolariseerde golf.
De polarisatie-mismatch tussen antennes wordt beschreven door de polarisatieverliesfactor (PLF). Deze parameter wordt uitgedrukt in decibel (dB) en is een functie van het verschil in polarisatiehoek tussen de zend- en ontvangstantenne. Theoretisch kan de PLF variëren van 0 dB (geen verlies) voor een perfect uitgelijnde antenne tot oneindig dB (oneindig verlies) voor een perfect orthogonale antenne.
In werkelijkheid is de uitlijning (of verkeerde uitlijning) van de polarisatie echter niet perfect, omdat de mechanische positie van de antenne, het gedrag van de gebruiker, kanaalvervorming, meerpadreflecties en andere verschijnselen enige hoekvervorming van het uitgezonden elektromagnetische veld kunnen veroorzaken. Aanvankelijk zal er 10 tot 30 dB of meer aan signaal-crosspolarisatie "lekken" van de orthogonale polarisatie, wat in sommige gevallen voldoende kan zijn om het herstel van het gewenste signaal te verstoren.
Daarentegen kan de werkelijke PLF voor twee uitgelijnde antennes met ideale polarisatie 10 dB, 20 dB of meer bedragen, afhankelijk van de omstandigheden, en kan dit het signaalherstel belemmeren. Met andere woorden, onbedoelde kruispolarisatie en PLF kunnen in beide richtingen werken door het gewenste signaal te verstoren of de gewenste signaalsterkte te verminderen.
Waarom zouden we ons druk maken over polarisatie?
Polarisatie werkt op twee manieren: hoe beter twee antennes op elkaar zijn afgestemd en dezelfde polarisatie hebben, hoe sterker het ontvangen signaal. Omgekeerd maakt een slechte polarisatie-afstemming het voor ontvangers, al dan niet bedoeld, moeilijker om voldoende van het gewenste signaal op te vangen. In veel gevallen verstoort het "kanaal" de uitgezonden polarisatie, of staan een of beide antennes niet in een vaste, statische richting.
De keuze voor de te gebruiken polarisatie wordt meestal bepaald door de installatie of de atmosferische omstandigheden. Zo presteert een horizontaal gepolariseerde antenne beter en behoudt deze zijn polarisatie langer wanneer deze dicht bij het plafond is geïnstalleerd; omgekeerd presteert een verticaal gepolariseerde antenne beter en behoudt deze zijn polarisatie langer wanneer deze dicht bij een zijwand is geïnstalleerd.
De veelgebruikte dipoolantenne (in vlakke of gevouwen vorm) is horizontaal gepolariseerd in de "normale" montagepositie (Figuur 4) en wordt vaak 90 graden gedraaid om verticale polarisatie aan te nemen wanneer dat nodig is of om een gewenste polarisatiemodus te ondersteunen (Figuur 5).
Figuur 4: Een dipoolantenne wordt meestal horizontaal op de mast gemonteerd om horizontale polarisatie te verkrijgen.
Figuur 5: Voor toepassingen die verticale polarisatie vereisen, kan de dipoolantenne zo worden gemonteerd dat de antenne het licht opvangt.
Verticale polarisatie wordt veel gebruikt voor draagbare mobiele radio's, zoals die van hulpverleners, omdat veel antenneontwerpen met verticale polarisatie ook een omnidirectioneel stralingspatroon bieden. Dergelijke antennes hoeven daarom niet opnieuw georiënteerd te worden, zelfs niet als de richting van de radio en de antenne verandert.
Antennes voor hoogfrequente (HF) frequenties van 3 tot 30 MHz worden doorgaans geconstrueerd als eenvoudige, lange draden die horizontaal tussen beugels zijn gespannen. De lengte wordt bepaald door de golflengte (10 tot 100 meter). Dit type antenne is van nature horizontaal gepolariseerd.
Het is belangrijk om te weten dat de benaming "hoogfrequentie" voor deze band al tientallen jaren geleden is ontstaan, toen 30 MHz inderdaad als hoogfrequentie werd beschouwd. Hoewel deze omschrijving nu verouderd lijkt, is het een officiële aanduiding van de Internationale Telecommunicatie Unie en wordt deze nog steeds veel gebruikt.
De voorkeurspolarisatie kan op twee manieren worden bepaald: door gebruik te maken van grondgolven voor een sterker signaal over korte afstand door zendapparatuur in de middengolfband (MW) van 300 kHz tot 3 MHz, of door gebruik te maken van hemelgolven voor langere afstanden via de ionosfeer. Over het algemeen hebben verticaal gepolariseerde antennes een betere voortplanting via grondgolven, terwijl horizontaal gepolariseerde antennes betere prestaties leveren via hemelgolven.
Circulaire polarisatie wordt veel gebruikt voor satellieten omdat de oriëntatie van de satelliet ten opzichte van grondstations en andere satellieten constant verandert. De efficiëntie tussen zend- en ontvangstantennes is het grootst wanneer beide circulair gepolariseerd zijn, maar lineair gepolariseerde antennes kunnen ook met CP-antennes worden gebruikt, hoewel er dan wel sprake is van polarisatieverlies.
Polarisatie is ook belangrijk voor 5G-systemen. Sommige 5G MIMO-antenne-arrays (multiple-input/multiple-output) behalen een hogere doorvoersnelheid door polarisatie te gebruiken om het beschikbare spectrum efficiënter te benutten. Dit wordt bereikt door een combinatie van verschillende signaalpolarisaties en ruimtelijke multiplexing van de antennes (ruimtelijke diversiteit).
Het systeem kan twee datastromen verzenden omdat de datastromen verbonden zijn door onafhankelijke, orthogonaal gepolariseerde antennes en onafhankelijk van elkaar kunnen worden hersteld. Zelfs als er sprake is van kruispolarisatie als gevolg van pad- en kanaalvervorming, reflecties, meerpadvoortplanting en andere onvolkomenheden, gebruikt de ontvanger geavanceerde algoritmen om elk origineel signaal te herstellen. Dit resulteert in lage bitfoutpercentages (BER) en uiteindelijk een verbeterd spectrumgebruik.
tot slot
Polarisatie is een belangrijke eigenschap van antennes die vaak over het hoofd wordt gezien. Lineaire (inclusief horizontale en verticale) polarisatie, schuine polarisatie, circulaire polarisatie en elliptische polarisatie worden gebruikt voor verschillende toepassingen. Het bereik van de RF-prestaties die een antenne van begin tot eind kan bereiken, hangt af van de relatieve oriëntatie en uitlijning. Standaardantennes hebben verschillende polarisaties en zijn geschikt voor verschillende delen van het spectrum, waardoor de gewenste polarisatie voor de beoogde toepassing beschikbaar is.
Aanbevolen producten:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parameters | Typisch | Eenheden |
| Frequentiebereik | 20-30 | GHz |
| Verdienen | 15 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.3 Typ. | |
| Polarisatie | Dubbel Lineair | |
| Kruispolitaanse isolatie | 60 Typ. | dB |
| Poortisolatie | 70 Typ. | dB |
| Connector | SMA-Fvrouwelijk | |
| Materiaal | Al | |
| Afwerking | Verf | |
| Maat(L*B*H) | 83.9*39.6*69.4(±5) | mm |
| Gewicht | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Item | Specificatie | Eenheid |
| Frequentiebereik | 1-18 | GHz |
| Verdienen | 10 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.5 Typ. | |
| Polarisatie | Lineair | |
| Kruis Po. Isolatie | 30 Typ. | dB |
| Connector | SMA-Vrouw | |
| Afwerking | Pniet | |
| Materiaal | Al | |
| Maat(L*B*H) | 182.4*185.1*116.6(±5) | mm |
| Gewicht | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Parameters | Typisch | Eenheden |
| Frequentiebereik | 2-18 | GHz |
| Verdienen | 15 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.5 Typ. |
|
| Polarisatie | Dubbel Lineair |
|
| Kruispolitaanse isolatie | 40 | dB |
| Poortisolatie | 40 | dB |
| Connector | SMA-F |
|
| Oppervlaktebehandeling | Pniet |
|
| Maat(L*B*H) | 276*147*147(±5) | mm |
| Gewicht | 0,945 | kg |
| Materiaal | Al |
|
| Bedrijfstemperatuur | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parameters | Typisch | Eenheden |
| Frequentiebereik | 93-95 | GHz |
| Verdienen | 22 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.3 Typ. |
|
| Polarisatie | Dubbel Lineair |
|
| Kruispolitaanse isolatie | 60 Typ. | dB |
| Poortisolatie | 67 Typ. | dB |
| Connector | WR10 |
|
| Materiaal | Cu |
|
| Afwerking | Gouden |
|
| Maat(L*B*H) | 69.3*19.1*21.2 (±5) | mm |
| Gewicht | 0,015 | kg |
Geplaatst op: 11 april 2024
