wifi reitittimen antenni
Antennipolarisaatio: mitä se on ja miksi sillä on merkitystä
Arvioitu lukuaika: 15 minuuttia
Jokainen elektroniikkainsinööri tietää, että antennit lähettävät ja vastaanottavat signaaleja sähkömagneettisten aaltojen (sähkömagneettisen energian aaltojen) muodossa, joiden ominaisuuksia voidaan kuvata Maxwellin yhtälöillä. Kuten monet erikoistuneet tekniset aiheet, voimme tulkita näitä yhtälöitä sekä sähkömagneettisten aaltojen etenemissääntöjä ja ominaisuuksia useista näkökulmista – suhteellisen yksinkertaisista laadullisista kuvauksista monimutkaisiin ja yksityiskohtaisiin matemaattisiin kaavoihin asti.
Polarisaatio on yksi monista sähkömagneettisen energian etenemisen ominaisuuksista. Sen vaikutukset ja se, missä määrin se on otettava huomioon, vaihtelevat suuresti eri sovellustilanteissa ja niihin liittyvissä antennisuunnitteluissa. Polarisaation perusperiaatteet koskevat kaikkea sähkömagneettista säteilyä, mukaan lukien radiotaajuus- (RF)/langattomat signaalit ja valoaaltoenergia, ja polarisaatiota käytetään laajasti optiikan alalla. Tämä artikkeli käsittelee vain RF-taajuusaluetta.
Mitä on antennipolarisaatio?
Polarisaation ymmärtämiseksi on ensin hallittava sähkömagneettisten aaltojen perusteet. Sähkömagneettinen aalto koostuu sähkökentästä (E-kenttä) ja magneettikentästä (H-kenttä), jotka etenevät samaan suuntaan. Sähkökenttä ja magneettikenttä ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan, ja molemmat ovat kohtisuorassa tasoaallon etenemissuuntaan nähden.
Polarisaatio määritellään sähkökentän värähtelytasoksi, kun tarkastellaan lähetyspäästä aallon etenemissuuntaan. Vaakasuorassa polarisaatiossa sähkökenttä värähtelee sivulta toiselle vaakatasossa; pystysuorassa polarisaatiossa sähkökenttä värähtelee ylös ja alas pystytasossa (katso kuva 1).
Kuva 1: Sähkömagneettinen aalto, jossa sähkö- ja magneettikentän komponentit ovat keskenään kohtisuorassa
Lähetys- ja vastaanottoantennit muodostavat antenniparin , ja lähetin-vastaanottimen suorituskyky saavuttaa huippunsa, kun molemmilla on sama polarisaatiotaso. Viittauksena vuoden 1979 elokuvan Alien ikoniseen repliikkiin – ”Avaruudessa kukaan ei kuule huutoasi” – ulkoavaruudessa ei ole luontaista eroa vaaka- ja pystypolarisaation välillä. Tästä huolimatta polarisaation sovituksen ja antennien kohdistuksen teoriat pätevät edelleen signaalienergian siirron ja vastaanoton maksimoimiseksi.
Lineaarinen ja ympyräpolarisaatio
Sähkömagneettisilla aalloilla on useita polarisaatiotiloja:
- Perusmuotoinen lineaarinen polarisaatio sisältää kaksi toisiaan vastaan kohtisuoraa polarisaatiomuotoa (katso kuva 2). Teoriassa vaakapolarisoitu vastaanottoantenni ei voi vastaanottaa lainkaan signaalia, jonka lähettää pystypolarisoitu lähetinantenni samalla taajuudella, ja päinvastoin. Mitä lähempänä kahden antennin polarisaatiosuunnat ovat toisiaan, sitä voimakkaampi vastaanotettu signaali on; signaalienergian siirtotehokkuus saavuttaa huippunsa, kun polarisaatio on täydellisesti sovitettu.
Kuva 2: Lineaarinen polarisaatio tarjoaa kaksi toisiaan vastaan kohtisuoraa polarisaatiomuotoa
- Vinopolarisaatio on lineaarisen polarisaation muunnelma. Kuten tavallinen vaaka- ja pystypolarisaatio, tämä määritelmä koskee vain maanpäällisiä tilanteita. Vinopolarisaatio muodostaa ±45° kulman vaakatasoon nähden. Vaikka vinopolarisaatio on pohjimmiltaan lineaarinen, kun alan ammattilaiset puhuvat ”lineaarisesta polarisaatiosta”, he tarkoittavat yleensä vain vaaka- tai pystypolarisoituja antenneja.
- Vinopolarisaatioantennien lähettämät tai vastaanottamat signaalit voidaan vastaanottaa puhtaasti vaaka- tai pystypolarisoiduilla antenneilla, tosin tietyllä signaalihäviöllä. Vinopolarisaatioantennit soveltuvat erinomaisesti käyttötapauksiin, joissa yhden tai molempien antennien polarisaatiotila on tuntematon tai polarisaatio muuttuu käytön aikana.
- Ympyräpolarisaatio (CP) on monimutkaisempi kuin lineaarinen polarisaatio. Tässä polarisaatiotilassa sähkökenttävektori pyörii jatkuvasti signaalin edetessä. Kun tarkastellaan lähetyspäästä ulospäin, sähkökenttävektorin myötäpäivään tapahtuvaa kiertoa kutsutaan oikeakätiseksi ympyräpolarisaatioksi (RHCP); vastapäivään tapahtuvaa kiertoa kutsutaan vasenkätiseksi ympyräpolarisaatioksi (LHCP) (katso kuva 3).
Kuva 3: Ympyräpolarisoitujen sähkömagneettisten aaltojen sähkökenttävektori pyörii ja jakautuu oikea- ja vasenkätisiin tyyppeihin
Ympyräpolarisoidut signaalit muodostuvat yhdistämällä kaksi kohtisuoraa sähkömagneettista aaltoa, joiden vaihe-ero on 90°. Ympyräpolarisaation muodostamiseksi on täytyttävä kolme ehtoa: sähkökentän on sisällettävä kaksi kohtisuoraa komponenttia; näiden komponenttien välillä on oltava 90° vaihesiirtymä; ja molemmilla komponenteilla on oltava sama amplitudi. Heliksiantennit tarjoavat yksinkertaisen ratkaisun ympyräpolarisoitujen aaltojen tuottamiseen.
- Elliptinen polarisaatio (EP) on ympyräpolarisaation johdannainen. Kuten ympyräpolarisoidut aallot, elliptisesti polarisoidut aallot muodostetaan kahdesta lineaarisesti polarisoidusta aallosta. Elliptinen polarisaatio muodostuu, kun kaksi keskenään kohtisuoraa, erisuuruisen amplitudin omaavaa lineaarisesti polarisoitua aaltoa yhdistetään.
Kahden antennin välisen polarisaation epäsovituksen aste määritetään polarisaatiohäviökertoimella (PLF), joka mitataan desibeleinä (dB). Sen arvo määräytyy lähetys- ja vastaanottoantennien välisen polarisaatiokulman perusteella. Teoriassa PLF on 0 dB täydellisessä polarisaatiosovituksessa (ei häviötä); jos kaksi antennia on täysin ortogonaalisesti polarisoitu, PLF lähestyy ääretöntä (täydellinen signaalin vaimennus).
Todellisissa sovelluksissa antennit eivät kuitenkaan voi saavuttaa täydellisesti sovitettua tai täysin ortogonaalista polarisaatiota. Mekaaninen asennuksen epätarkkuus, käyttäjän toimintavirheet, kanavan vääristymät, monitieheijastukset ja muut tekijät aiheuttavat kaikki kulmapoikkeamaa lähetetyn sähkökentän polarisaatiosuuntaan. Vaikka kaksi antennia olisi suunniteltu ortogonaalisille polarisaatioille, käytännössä esiintyy silti 10–30 dB:n tai suurempaa ristipolarisaatiovuotoa. Joissakin tilanteissa tämä vuotanut signaali on riittävän voimakas häiritsemään halutun signaalin demodulointia.
Toisaalta jopa ihanteellisella polarisaatiolla ja kahden antennin tarkalla kohdistuksella todelliset ympäristötekijät voivat nostaa PLF-arvon 10 dB:iin, 20 dB:iin tai korkeammaksi, mikä heikentää signaalin vastaanottoa. Yksinkertaisesti sanottuna tahaton ristipolarisaatio ja suuret polarisaatiohäviökertoimet aiheuttavat kaksi haitallista vaikutusta: ne tuovat häiritseviä signaaleja ja heikentävät hyödyllisen kohdesignaalin voimakkuutta.
Miksi polarisaatio-ominaisuuksilla on merkitystä
Polarisaatio noudattaa kaksisuuntaista sääntöä: mitä paremmin kahden antennin polarisaatiotyypit ovat linjassa ja yhdenmukaisia, sitä suurempi on vastaanotetun signaalin voimakkuus. Päinvastoin heikko polarisaatiosovitus vaikeuttaa sekä kohdevastaanottimien että häiriövastaanottimien kykyä vastaanottaa riittäviä käyttökelpoisia signaaleja. Useimmissa tilanteissa langaton kanava muuttaa lähetetyn signaalin polarisaatiotilaa tai yksi tai molemmat lähetin-vastaanottimet eivät pysty säilyttämään kiinteää, paikallaan pysyvää antennin suuntausta.
Polarisaatiotilan valinta määräytyy yleensä asennusympäristön ja ilmakehän etenemisolosuhteiden perusteella. Esimerkiksi vaakapolarisoidut antennit tarjoavat paremman signaalisuorituskyvyn ja vakaamman polarisaation, kun ne asennetaan lähelle kattoja; sen sijaan sivuseiniä vasten asennetut pystypolarisoidut antennit käyttäytyvät lähempänä niiden nimellisiä suunnitteluominaisuuksia.
Yleiset dipoliantennit (tavalliset dipolit / taitetut dipolit) toimivat vaakapolarisaatiossa tavanomaisessa asennuksessa (katso kuva 4). Jos tietty polarisaatiotila vaaditaan, antennia voidaan kiertää 90° vaihtamiseksi pystypolarisaatioon (katso kuva 5).
SHAPE \* MERGEFORMAT
Kuva 4: Dipoliantennit asennetaan yleensä vaakasuoraan mastoihin vaakapolarisaatiota varten
SHAPE \* MERGEFORMAT
Kuva 5: Dipoliantennit voidaan asentaa pystysuoraan mastoihin pystypolarisaatiota varten, kun sovellus sitä edellyttää
Pystypolarisaatiota käytetään laajalti kannettavissa radiopuhelimissa, kuten hätäpelastushenkilöstön kantamissa laitteissa. Tämä johtuu siitä, että useimmissa pystypolarisoiduissa radioantenneissa on ympärisäteilevät säteilykuviot – mikä tarkoittaa, että käyttäjien ei tarvitse säätää antennin atsimuuttia uudelleen, vaikka kannettavan laitteen suunta muuttuu jatkuvasti.
Useimmatantennitjotka toimivat suurtaajuusalueella (HF) 3–30 MHz, käyttävät yksinkertaisia pitkälanka-antennirakenteita, jotka on pingotettu vaakasuoraan tukien väliin. Niiden suuri fyysinen koko määräytyy vastaavan aallonpituuden (10–100 metriä) mukaan, ja tällaiset antennit ovat luonnostaan vaakapolarisoituja.
Erikoista kyllä, alue nimettiin ”suurtaajuudeksi” vuosikymmeniä sitten, jolloin 30 MHz katsottiin kuuluvaksi korkeaan taajuusalueeseen. Vaikka nimitys vaikuttaa nykyään vanhentuneelta, se on edelleen Kansainvälisen televiestintäliiton (ITU) määrittelemä virallinen taajuusalueen nimitys ja sitä käytetään edelleen yleisesti.
Keskiaaltoalue (MW) kattaa 300 kHz:n – 3 MHz:n taajuudet. Tämän alueen lähetysasemien valitsema polarisaatio riippuu siitä, perustuuko asema lyhyen kantaman voimakkaaseen signaalikattavuuteen maaaltojen avulla vai ionosfäärin avaruusaaltoihin pitkän matkan lähetyksissä. Yleisesti ottaen pystypolarisoidut antennit tarjoavat paremman maaaaltoetenemisen, kun taas vaakapolarisoidut antennit soveltuvat paremmin avaruusaaltoviestintään.
Satelliittiviestintä perustuu vahvasti ympyräpolarisaatioon. Satelliitit muuttavat jatkuvasti asentoaan suhteessa maa-asemiin ja muihin satelliitteihin. Signaalinsiirron tehokkuus on parhaimmillaan, kun sekä lähetys- että vastaanottopäässä käytetään ympyräpolarisoituja antenneja; lineaarisesti polarisoitujen antennien yhdistäminen ympyräpolarisoituihin antenneihin toimii, mutta aiheuttaa mitattavan polarisaatiohäviökertoimen.
Polarisaatio-ominaisuudet ovat yhtä lailla ratkaisevia 5G-järjestelmissä. Tietyt 5G:n Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) -antenniryhmät hyödyntävät polarisaatiotekniikkaa spektriresurssien tehokkaampaan käyttöön ja tiedonsiirtonopeuksien kasvattamiseen. Tämä saavutetaan yhdistämällä signaalien eri polarisaatiotilat antennien spatiaaliseen multipleksointiin (tiladiversiteettiin). Tällaiset järjestelmät lähettävät kaksi itsenäistä tietovirtaa samanaikaisesti, jolloin kumpikin virta syötetään erillisille antenneille, joiden polarisaatiot ovat keskenään ortogonaaliset, mikä mahdollistaa vastaanottimelle virtojen erillisen demoduloinnin. Vaikka epäideaaliset tekijät, kuten etenemisreitit, kanavan vääristymät, heijastukset ja monitie-etenemisvaikutukset aiheuttavat vähäistä ristipolarisaatiohäiriötä, vastaanottimet kompensoivat tämän sisäisesti.
Yhteenveto
Polarisaatio on antennien tärkeä mutta usein huomiotta jäävä ominaisuus. Lineaarinen polarisaatio (mukaan lukien vaaka- ja pystysuuntaiset vaihtoehdot), vino polarisaatio, ympyräpolarisaatio ja elliptinen polarisaatio soveltuvat kukin erilaisiin käyttökohteisiin. Lähetys- ja vastaanottopään antennien suhteellinen suuntaus ja yhteensopivuuden aste määräävät suoraan koko RF-linkin suorituskyvyn. Kaikille polarisaatiotyypeille ja RF-taajuusalueille kattava valikoima standardiantenneja on kaupallisesti saatavilla, jotta voidaan toteuttaa eri kohdesovelluksiin sopivat polarisaatioratkaisut.
