uutiset
Antennin polarisaatio: mitä se on ja miksi se on tärkeä
Arvioitu lukuaika: 15 minuuttia
Jokainen elektroniikkainsinööri tietää, että antennit lähettävät ja vastaanottavat signaaleja sähkömagneettisten aaltojen (sähkömagneettisten energia-aaltojen) muodossa, joiden ominaisuuksia voidaan kuvata Maxwellin yhtälöillä. Kuten monia muitakin erikoistuneita teknisiä aiheita, näitä yhtälöitä sekä sähkömagneettisten aaltojen etenemissääntöjä ja ominaisuuksia voidaan tulkita useista näkökulmista – suhteellisen yksinkertaisista laadullisista kuvauksista monimutkaisiin matemaattisiin kaavoihin.
Polarisaatio on yksi monista sähkömagneettisen energian etenemisen ominaisuuksista. Sen vaikutukset ja se, missä määrin se on otettava huomioon, vaihtelevat suuresti eri käyttöskenaarioissa ja vastaavissa antennisuunnitelmissa. 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.
Mikä on antennin polarisaatio?
Polarisaation ymmärtämiseksi on ensin hallittava sähkömagneettisten aaltojen perusteet. Sähkömagneettinen aalto koostuu sähkökentästä (E-kenttä) ja magneettikentästä (H-kenttä), jotka kulkevat samaan suuntaan. Sähkökenttä ja magneettikenttä ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden, ja molemmat ovat kohtisuorassa tasoaallon etenemissuuntaan nähden.
Polarisaatio määritellään sähkökentän värähtelytasoksi, kun tarkastellaan lähetyspäästä aallon etenemissuuntaan päin. Vaakasuorassa polarisaatiossa sähkökenttä värähtelee sivusuunnassa 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 antenniparinja lähetin-vastaanottimen suorituskyky saavuttaa huippunsa, kun molemmilla on sama polarisaatiotaso. Viittauksena vuoden 1979 elokuvan Alienikoniseen lauseeseen – ”Avaruudessa kukaan ei kuule sinun huutoasi” – ulkoavaruudessa ei ole luonnollista eroa vaaka- ja pystypolarisaation välillä. Tästä huolimatta polarisaation sovittamisen ja antennien kohdistamisen teoriat pitävät edelleen paikkansa signaalienergian siirron ja vastaanoton maksimoimiseksi.
Lineaarinen ja ympyräpolarisaatio
Sähkömagneettisilla aalloilla on useita polarisaatiotiloja:
- Peruslineaarinen polarisaatio sisältää kaksi toisiaan vastaan kohtisuoraa (kohtisuoraa) polarisaatiomuotoa (katso kuva 2). Teoriassa vaakapolarisoitu vastaanottoantenni ei voi vastaanottaa mitään signaalia, jonka samantaajuinen pystypolarisoitu lähetysantenni lähettää, ja päinvastoin. Mitä lähempänä kahden antennin polarisaatiosuunnat ovat toisiaan, sitä voimakkaampi vastaanotettu signaali on; signaalienergian siirron tehokkuus saavuttaa huippunsa, kun polarisaatiot vastaavat täydellisesti.
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 viittaavat ”lineaariseen polarisaatioon”, he tarkoittavat yleensä yksinomaan vaaka- tai pystypolarisoituja antenneja.
- Vinopolarisaatioantennien lähettämät tai vastaanottamat signaalit voidaan vastaanottaa puhtaasti vaaka- tai pystypolarisoiduilla antenneilla, tosin tietyn signaalihäviön kanssa. Vinopolarisaatioantennit sopivat ihanteellisesti 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 myötäpäiväinen kierto tunnetaan oikeakätisenä ympyräpolarisaationa (RHCP); vastapäiväinen kierto on vasenkätinen ympyräpolarisaatio (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; komponenteilla on oltava 90° vaihe-ero; ja molemmilla komponenteilla on oltava sama amplitudi. Heliksimäiset antennit 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 lineaarisesti polarisoitua aaltoa, joilla on erisuuret amplitudit, asetetaan päällekkäin.
Kahden antennin välisen polarisaation yhteensopimattomuuden aste määritetään polarisaatiohäviökertoimella (PLF), joka mitataan desibeleinä (dB). Sen arvo määräytyy lähetys- ja vastaanottoantennien välisen polarisaatiokulman perusteella. Teoriassa PLF on 0 dB täydellisen polarisaatiosovituksen tapauksessa (ei häviötä); jos kaksi antennia on täysin kohtisuoraan polarisoitu, PLF lähestyy ääretöntä (signaalin täydellinen vaimeneminen).
Todellisissa sovelluksissa antennit eivät kuitenkaan voi saavuttaa täydellisesti sovitettua tai täysin kohtisuoraa polarisaatiota. Mekaaninen asennuksen kohdistusvirhe, käyttäjän toimintavirheet, kanavan vääristymät, monitieheijastukset ja muut tekijät aiheuttavat kaikki kulmapoikkeamaa lähetetyn sähkökentän polarisaatiosuuntaan. Vaikka kaksi antennia olisi suunniteltu kohtisuoralle polarisaatiolle, käytännössä esiintyy silti ristipolarisaatiovuotoa 10–30 dB tai enemmän. 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 korkeat polarisaatiohäviökertoimet aiheuttavat kaksi haitallista vaikutusta: ne tuovat häiriösignaaleja ja vaimentavat hyödyllisen kohdesignaalin voimakkuutta.
Miksi polarisaation ominaisuudet ovat tärkeitä
Polarisaatio noudattaa kaksisuuntaista sääntöä: mitä paremmin kahden antennin polarisaatiotyypit ovat linjassa ja yhdenmukaisia, sitä suurempi vastaanotetun signaalin voimakkuus on. Sen sijaan heikko polarisaatiosovitus vaikeuttaa sekä kohdevastaanottimien että häiriövastaanottimien kykyä vastaanottaa riittäviä käyttökelpoisia signaaleja. Useimmissa tilanteissa langaton kanava muuttaa lähetetyn signaalin polarisaatiotilaa tai toinen 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; sitä vastoin sivuseiniä vasten asennetut pystypolarisoidut antennit käyttäytyvät polarisaation suhteen lähempänä nimellisiä suunnitteluominaisuuksiaan.
Tavalliset dipoliantennit (vakiomalliset dipolit / taitetut dipolit) toimivat vaakapolarisaatiossa tavanomaisessa asennuksessa (katso kuva 4). Jos vaaditaan tiettyä polarisaatiotilaa, antennia voidaan kääntää 90° pystypolarisaation vaihtamiseksi (katso kuva 5).
MUOTO \* YHDISTÄ MUOTOILU
Kuva 4: Dipoliantennit asennetaan tyypillisesti vaakasuoraan mastoihin vaakapolarisaatiota varten
MUOTO \* MERGEFORMAT
Kuva 5: Dipoliantennit voidaan asentaa pystysuoraan mastoihin pystypolarisaatiota varten, kun sovellus sitä edellyttää
Pystypolarisaatiota käytetään laajasti 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 käsilaitteen suunta muuttuu jatkuvasti.
Useimmat antennit jotka 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, taajuusalue nimettiin ”suurtaajuudeksi” vuosikymmeniä sitten, jolloin 30 MHz katsottiin korkeaksi taajuusalueeksi. Vaikka nimitys vaikuttaa nykyään vanhentuneelta, se on edelleen Kansainvälisen televiestintäliiton (ITU) määrittämä virallinen taajuusalueen nimitys ja sitä käytetään edelleen yleisesti.
Keskiaaltoalue (MW) kattaa taajuudet 300 kHz:stä 3 MHz:iin. Tämän alueen yleisradioasemien valitsema polarisaatio riippuu siitä, käyttääkö asema lähietäisyyden voimakkaaseen signaalipeittoon maaaltoja vai pitkän matkan lähetyksiin ionosfäärin avaruusaaltoja. Yleisesti pystypolarisoidut antennit tarjoavat paremman maaaltojen etenemisen, kun taas vaakapolarisoidut antennit soveltuvat paremmin avaruusaaltoviestintään.
Satelliittiviestintä perustuu vahvasti ympyräpolarisaatioon. Satelliitit muuttavat jatkuvasti asentoaan suhteessa maa-asemiin ja muihin satelliitteihin. Signaalin lähetyksen tehokkuus on suurimmillaan, kun sekä lähetys- että vastaanottopäässä käytetään ympyräpolarisoituja antenneja; lineaaripolarisoitujen antennien yhdistäminen ympyräpolarisoituihin antenneihin toimii, mutta aiheuttaa mitattavan polarisaatiohäviökertoimen.
Polarisaatio-ominaisuudet ovat yhtä lailla ratkaisevia 5G-järjestelmissä. Tietyt 5G Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) -antenniryhmät hyödyntävät polarisaatioteknologiaa spektriresurssien tehokkaampaan käyttöön ja tiedonsiirtonopeuksien kasvattamiseen. Tämä saavutetaan yhdistämällä signaalien eri polarisaatiotilat antennien tilalliseen multipleksointiin (tiladiversiteettiin). Tällaiset järjestelmät lähettävät kaksi toisistaan riippumatonta datavirtaa samanaikaisesti siten, että kumpikin virta syötetään erillisille antenneille, joiden polarisaatiot ovat toisiaan vastaan kohtisuorassa, jolloin vastaanotin voi demoduloida kaksi virtaa erikseen. Vaikka epäideaaliset tekijät, kuten etenemisreitit, kanavavääristymät, heijastukset ja monitie-etenemisvaikutukset, aiheuttavat vähäistä ristipolarisaatiohäiriötä, vastaanottimet vaimentavat sen sisäisesti.
Yhteenveto
Polarisaatio on antennien tärkeä mutta usein huomiotta jäävä ominaisuus. Lineaaripolarisaatio (mukaan lukien vaaka- ja pystysuuntaiset vaihtoehdot), viistopolarisaatio, ympyräpolarisaatio ja elliptinen polarisaatio soveltuvat kukin erilaisiin käyttökohteisiin. Lähetys- ja vastaanottopään antennien suhteellinen suuntaus ja yhteensopivuuden aste määräävät suoraan koko radiotaajuusyhteyden suorituskyvyn. Kaupallisesti on saatavilla laaja valikoima standardoituja antenneja, jotka kattavat kaikki polarisaatiotyypit ja radiotaajuusalueet sekä tarjoavat polarisaatioratkaisuja kaikkiin kohdesovelluksiin.
