Elektronica-ingenieurs weten dat antennes signalen verzenden en ontvangen in de vorm van golven van elektromagnetische (EM) energie, beschreven door de vergelijkingen van Maxwell.Zoals bij veel onderwerpen kunnen deze vergelijkingen en de voortplantingseigenschappen van elektromagnetisme op verschillende niveaus worden bestudeerd, van relatief kwalitatieve termen tot complexe vergelijkingen.
Er zijn veel aspecten aan de voortplanting van elektromagnetische energie, waarvan er één polarisatie is, die verschillende mate van impact of zorg kan hebben bij toepassingen en hun antenneontwerpen.De basisprincipes van polarisatie zijn van toepassing op alle elektromagnetische straling, inclusief RF/draadloze, optische energie, en worden vaak gebruikt in optische toepassingen.
Wat is antennepolarisatie?
Voordat we polarisatie kunnen begrijpen, moeten we eerst de basisprincipes van elektromagnetische golven begrijpen.Deze golven zijn samengesteld 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 richting van de voortplanting van de vlakke golf.
Polarisatie verwijst naar het E-veldvlak vanuit het perspectief van de signaalzender: voor horizontale polarisatie zal het elektrische veld zijwaarts bewegen in het horizontale vlak, terwijl voor verticale polarisatie het elektrische veld op en neer zal oscilleren 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 het volgende:
Bij lineaire basispolarisatie zijn de twee mogelijke polarisaties orthogonaal (loodrecht) ten opzichte van elkaar (Figuur 2).In theorie zal een horizontaal gepolariseerde ontvangstantenne geen signaal van een verticaal gepolariseerde antenne "zien" en omgekeerd, zelfs als beide op dezelfde frequentie werken.Hoe beter ze zijn uitgelijnd, hoe meer signaal wordt opgevangen en de energieoverdracht wordt gemaximaliseerd wanneer de polarisaties overeenkomen.
Figuur 2: Lineaire polarisatie biedt twee polarisatieopties die haaks op elkaar staan
De schuine polarisatie van de antenne is een soort lineaire polarisatie.Net als fundamentele horizontale en verticale polarisatie heeft deze polarisatie alleen zin in een aardse omgeving.Schuine polarisatie bevindt zich in een hoek van ±45 graden ten opzichte van het horizontale referentievlak.Hoewel dit eigenlijk gewoon een andere vorm van lineaire polarisatie is, verwijst de term 'lineair' meestal alleen naar horizontaal of verticaal gepolariseerde antennes.
Ondanks enkele verliezen zijn signalen verzonden (of ontvangen) door een diagonale antenne haalbaar met alleen horizontaal of verticaal gepolariseerde antennes.Schuin gepolariseerde antennes zijn handig 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 die wordt weergegeven door de E-veldvector terwijl het signaal zich voortplant.Wanneer naar rechts gedraaid (kijkend vanuit de zender), wordt circulaire polarisatie rechtshandige circulaire polarisatie (RHCP) genoemd;wanneer naar links gedraaid, linkshandige circulaire polarisatie (LHCP) (Figuur 3)
Figuur 3: Bij circulaire polarisatie roteert de E-veldvector van een elektromagnetische golf;deze rotatie kan rechtshandig of linkshandig zijn
Een CP-signaal bestaat uit twee orthogonale golven die uit fase zijn.Er zijn drie voorwaarden vereist om een CP-signaal te genereren.Het E-veld moet uit twee orthogonale componenten bestaan;de twee componenten moeten 90 graden uit fase zijn en dezelfde amplitude hebben.Een eenvoudige manier om CP te genereren is door een spiraalvormige antenne te gebruiken.
Elliptische polarisatie (EP) is een type CP.Elliptisch gepolariseerde golven zijn de versterking die wordt geproduceerd door twee lineair gepolariseerde golven, zoals CP-golven.Wanneer twee onderling loodrechte, lineair gepolariseerde golven met ongelijke amplitudes worden gecombineerd, ontstaat een elliptisch gepolariseerde golf.
De polarisatiemismatch 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 ontvangstantennes.Theoretisch kan de PLF variëren van 0 dB (geen verlies) voor een perfect uitgelijnde antenne tot oneindige 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, gebruikersgedrag, kanaalvervorming, multipadreflecties en andere verschijnselen enige hoekvervorming van het uitgezonden elektromagnetische veld kunnen veroorzaken.Aanvankelijk zal er 10 - 30 dB of meer signaal-kruispolarisatie-"lekkage" zijn uit 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 groter zijn, afhankelijk van de omstandigheden, en kan signaalherstel belemmeren.Met andere woorden, onbedoelde kruispolarisatie en PLF kunnen beide kanten op werken door het gewenste signaal te verstoren of de gewenste signaalsterkte te verminderen.
Waarom zorgen maken over polarisatie?
Polarisatie werkt op twee manieren: hoe beter twee antennes op één lijn staan en dezelfde polarisatie hebben, hoe beter de sterkte van het ontvangen signaal.Omgekeerd maakt een slechte uitlijning van de polarisatie het moeilijker voor ontvangers, bedoeld of ontevreden, om voldoende van het gewenste signaal op te vangen.In veel gevallen vervormt het "kanaal" de uitgezonden polarisatie, of bevinden een of beide antennes zich niet in een vaste statische richting.
De keuze welke polarisatie moet worden gebruikt, wordt meestal bepaald door de installatie- of atmosferische omstandigheden.Een horizontaal gepolariseerde antenne zal bijvoorbeeld beter presteren en zijn polarisatie behouden wanneer deze dichtbij het plafond wordt geïnstalleerd;omgekeerd zal een verticaal gepolariseerde antenne beter presteren en zijn polarisatieprestaties behouden wanneer deze in de buurt van een zijmuur wordt geïnstalleerd.
De veelgebruikte dipoolantenne (gewoon of gevouwen) is horizontaal gepolariseerd in de "normale" montagerichting (Afbeelding 4) en wordt vaak 90 graden gedraaid om indien nodig verticale polarisatie aan te nemen of om een voorkeurspolarisatiemodus te ondersteunen (Afbeelding 5).
Figuur 4: Een dipoolantenne wordt meestal horizontaal op de mast gemonteerd om horizontale polarisatie te bieden
Afbeelding 5: Voor toepassingen die verticale polarisatie vereisen, kan de dipoolantenne op de plaats waar de antenne vastzit, worden gemonteerd
Verticale polarisatie wordt vaak gebruikt voor draagbare mobiele radio's, zoals die worden gebruikt door eerstehulpverleners, omdat veel verticaal gepolariseerde radioantenneontwerpen ook een omnidirectioneel stralingspatroon bieden.Daarom hoeven dergelijke antennes niet opnieuw te worden georiënteerd, zelfs niet als de richting van de radio en de antenne verandert.
3 - 30 MHz hoogfrequente (HF) antennes zijn doorgaans opgebouwd als eenvoudige lange draden die horizontaal tussen beugels aan elkaar zijn geregen.De lengte wordt bepaald door de golflengte (10 - 100 m).Dit type antenne is van nature horizontaal gepolariseerd.
Het is vermeldenswaard dat het verwijzen naar deze band als "hoge frequentie" tientallen jaren geleden begon, toen 30 MHz inderdaad hoge frequentie was.Hoewel deze omschrijving inmiddels achterhaald lijkt, is het een officiële aanduiding van de International Telecommunications Union en wordt deze nog steeds veel gebruikt.
De voorkeurspolarisatie kan op twee manieren worden bepaald: ofwel door gebruik te maken van grondgolven voor sterkere korteafstandssignalering door uitzendapparatuur die gebruik maakt van de middengolfband (MW) van 300 kHz - 3 MHz, ofwel door gebruik te maken van luchtgolven voor langere afstanden via de ionosfeerverbinding.Over het algemeen hebben verticaal gepolariseerde antennes een betere voortplanting van grondgolven, terwijl horizontaal gepolariseerde antennes betere prestaties van luchtgolven hebben.
Circulaire polarisatie wordt veel gebruikt voor satellieten omdat de oriëntatie van de satelliet ten opzichte van grondstations en andere satellieten voortdurend verandert.De efficiëntie tussen zend- en ontvangstantennes is het grootst wanneer beide circulair gepolariseerd zijn, maar lineair gepolariseerde antennes kunnen worden gebruikt met CP-antennes, hoewel er een polarisatieverliesfactor is.
Polarisatie is ook belangrijk voor 5G-systemen.Sommige 5G multiple-input/multiple-output (MIMO) antenne-arrays bereiken een hogere doorvoer door polarisatie te gebruiken om het beschikbare spectrum efficiënter te gebruiken.Dit wordt bereikt door een combinatie van verschillende signaalpolarisaties en ruimtelijke multiplexing van de antennes (ruimtediversiteit).
Het systeem kan twee datastromen verzenden omdat de datastromen zijn verbonden door onafhankelijke orthogonaal gepolariseerde antennes en onafhankelijk kunnen worden hersteld.Zelfs als er enige kruispolarisatie bestaat als gevolg van pad- en kanaalvervorming, reflecties, multipath en andere onvolkomenheden, gebruikt de ontvanger geavanceerde algoritmen om elk origineel signaal te herstellen, wat resulteert in lage bitfoutpercentages (BER) en uiteindelijk een verbeterd spectrumgebruik.
ten slotte
Polarisatie is een belangrijke antenne-eigenschap die vaak over het hoofd wordt gezien.Lineaire (inclusief horizontale en verticale) polarisatie, schuine polarisatie, circulaire polarisatie en elliptische polarisatie worden voor verschillende toepassingen gebruikt.Het bereik van de end-to-end RF-prestaties die een antenne 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 voorkeurspolarisatie voor de doeltoepassing wordt geboden.
Aanbevolen producten:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parameters | Typisch | Eenheden |
| Frequentiebereik | 20-30 | GHz |
| Verdienen | 15 Typ. | dBi |
| VSWR | 1.3 Typ. | |
| Polarisatie | Dubbel Lineair | |
| Kruis Pol.Isolatie | 60 Typ. | dB |
| Poortisolatie | 70 Typ. | dB |
| Connector | SMA-Fsmaragd | |
| 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 | |
| Steek Po over.Isolatie | 30 Typ. | dB |
| Connector | SMA-vrouwelijk | |
| 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 |
|
| Kruis Pol.Isolatie | 40 | dB |
| Poortisolatie | 40 | dB |
| Connector | SMA-F |
|
| Oppervlakte behandeling | 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 |
|
| Kruis Pol.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 |
Posttijd: 11 april 2024
