Wat is antennepolarisatie en waarom is het belangrijk?

Polarisatie is een belangrijk fenomeen dat nuttig is bij verschillende analyses van elektromagnetische (EM) golven. Inzicht in polarisatie speelt een belangrijke rol bij maximale signaaloverdracht. Maximale signaaloverdracht is de gebeurtenis waarbij de getrouwheid van het signaal behouden blijft tijdens de overdracht. Om maximale signaaloverdracht te bereiken, moeten de antenne-elementen van zender en ontvanger dezelfde antennepolarisatie behouden. Als de polarisatie niet overeenkomt, zal de signaalsterkte afnemen.

In dit artikel bespreken we hoe belangrijk het is om antennepolarisatie te begrijpen. Dit omvat een korte geschiedenis van polarisatie, soorten antennepolarisatie en factoren die polarisatie beïnvloeden. Verder gaan we in op enkele toepassingen van antennepolarisatie en hoe deze in verschillende domeinen worden gebruikt. Dit artikel kan dienen als een korte en beknopte uitgebreide gids voor antennepolarisatie.

Basisprincipes van antennepolarisatie

Een EM-golf bestaat uit twee loodrecht op elkaar staande velden. Deze velden zijn:

• Elektrisch veld (E-veld)
• Magnetisch veld (H-veld)

Deze twee velden staan loodrecht op elkaar en op de voortplantingsrichting van de golf. Antenne polarisatie wordt gedefinieerd op basis van de oriëntatie van het elektrische veld. Daarom kunnen we antennepolarisatie definiëren als de oriëntatie van het E-veld van de EM-golf die door de zenderantenne wordt uitgestraald. Dit is een belangrijk concept, omdat het E-veld belangrijk is wanneer we de sterkte van het signaal bekijken.
Wat betreft de geschiedenis van antennepolarisatie is James Maxwell een van de invloedrijkste wetenschappers. Hij formuleerde de Maxwellvergelijkingen om de voortplanting van EM-golven en de interactie tussen E-veld en H-veld te beschrijven. Het was echter Heinrich Hertz die aan het eind van de jaren 1880 polarisatie experimenteel aantoonde met behulp van een dipoolantenne.

Een kort begrip van de definitie van antennepolarisatie en de geschiedenis van antennepolarisatie is nodig om de fundamentele relatie tussen antennepolarisatie en EM-golven te begrijpen. Fundamenteel kan antennepolarisatie de EM-golven beïnvloeden,

• Signaalsterkte aan de ontvangende kant
• Signaalinterferentieniveau door multipadinterferentie en polarisatiemismatch

Naast deze twee fundamentele ideeën kan polarisatie ook het ontwerp van antennes in grote mate beperken. Daarom is het noodzakelijk om een goed begrip te hebben van antennepolarisatie voordat een antenne wordt ontworpen.

Typen antennepolarisatie

Er bestaan verschillende soorten antennepolarisatiemodi, afhankelijk van verschillende omstandigheden die afhankelijk zijn van omgevingscondities en antenneontwerpen. Bovendien worden ze, afhankelijk van de voor- en nadelen van elk type antennepolarisatie, gebruikt in verschillende vormen van draadloze communicatiemedia.

Er zijn drie hoofdtypen antennepolarisatie, namelijk,

1. Lineaire polarisatie
2. Circulaire polarisatie
3. Elliptische polarisatie

Horizontale en verticale polarisatie

Dubbele schuine polarisatie

Lineaire polarisatie

Lineaire polarisatie is de meest voorkomende vorm van polarisatie in praktische toepassingen. Bij lineaire polarisatie blijft alle straling die wordt uitgezonden beperkt tot één vlak. Hier oscilleert het E-veld in slechts één richting. Afhankelijk van de oscillatierichting van het E-veld zijn er drie subcategorieën van lineaire polarisatie. Deze zijn:

• Horizontale polarisatie - Hier oscilleert het E-veld van links naar rechts en kan het worden opgepikt door horizontale elementen van een antenne.
• Verticale polarisatie - Hier oscilleert het E-veld op en neer en kan het worden opgepikt door verticale elementen. Een belangrijk voordeel van verticale polarisatie is dat het gelijkmatig rond het horizontale vlak straalt.
• Schuine polarisatie - Hier oscilleert het E-veld onder een hoek ten opzichte van een horizontaal of verticaal vlak. Schuine polarisatie kan worden opgepikt door zowel horizontale als verticale elementen van een antenne.

Circulaire polarisatie

Hier draait het E-veld terwijl het signaal zich voortplant. Dit is een complexe vorm van polarisatie in vergelijking met lineaire polarisatie, die veel wordt gebruikt in satellietcommunicatietoepassingen. Bovendien moet aan drie voorwaarden worden voldaan om circulaire polarisatie te laten optreden. Deze voorwaarden zijn:

• Het E-veld moet twee orthogonale vectorcomponenten hebben
• Deze vectorcomponenten moeten 90 graden uit fase zijn
• Deze vectorcomponenten moeten even groot zijn

Afhankelijk van de draairichting van het E-veld zijn er twee soorten circulaire polarisatie, namelijk:

• Rechter circulaire polarisatie (RHCP)
• Linkercirkelpolarisatie (LHCP)

Elliptische polarisatie

Elliptische polarisatie is een mix van zowel lineaire als circulaire polarisatie. Deze mix is te wijten aan de wanverhouding in de grootte van de orthogonale vectorcomponenten van het E-veld die we eerder beschreven bij circulaire polarisatie. Net als circulaire polarisatie wordt elliptische polarisatie veel gebruikt in satellietcommunicatie en radarsystemen.

Factoren die de polarisatie van de antenne beïnvloeden

Aangezien de EM-golven zich vrij in de ruimte voortplanten, kunnen verschillende factoren de antennepolarisatie beïnvloeden. We kunnen echter een paar sleutelfactoren onderscheiden die een aanzienlijke invloed kunnen hebben op de polarisatie van de antenne. Deze factoren zijn:

• Omgevingsfactoren: Hier is het terrein een belangrijk aandachtspunt. Afhankelijk van de aard van het terrein, d.w.z. stedelijk, landelijk, etc., wordt de mate van polarisatie beïnvloed door signaalreflectie, diffractie en verstrooiing. Bovendien kunnen obstakels in de omgeving het signaal beïnvloeden door reflectie en absorptie.
• Frequentie: De zendfrequentie bepaalt de mate van polarisatie, waarbij hogere frequenties gevoeliger zijn voor polarisatie.
• Antenneontwerp: De grootte, vorm, oriëntatie en verschillende elementen van de antenne kunnen de polarisatie beïnvloeden omdat ze bepalen hoe het signaal wordt ontvangen en verzonden.
• Overwegingen met betrekking tot signaalpropagatie: Andere factoren zoals atmosferische omstandigheden en kanaalvervorming kunnen ook de polarisatie beïnvloeden.

Toepassingen van antennepolarisatie

Nu we een goed beeld hebben van antennepolarisatie, kunnen we enkele veelgebruikte toepassingen van antennepolarisatie onderzoeken. Als het gaat om draadloze communicatiesystemen, wordt polarisatie gebruikt om interferentie te verminderen die kan optreden tijdens de transmissie. Bovendien zal het bereiken van de gewenste polarisatie de helderheid van het signaal en de sterkte van het signaal verhogen. Tot slot wordt polarisatie in draadloze communicatiesystemen zoals cellulaire netwerken gebruikt om de kanaalcapaciteit te verhogen door verschillende soorten polarisatie binnen hetzelfde kanaal te bereiken. Ook in RFID-systemen kan polarisatie een invloedrijke factor zijn bij het bepalen van het leesbereik van RFID-systemen als gevolg van storingen in de omgeving.

Bovendien worden circulaire polarisatie en elliptische polarisatie veel gebruikt in satelliet- en radarsystemen vanwege de hoge mate van interferentie in deze systemen. In het geval van satellietcommunicatie kan het introduceren van circulaire polarisatie de signaalvervorming die kan optreden door de rotatie van de satellieten effectief compenseren. Bovendien kunnen deze twee soorten polarisatie ook worden gebruikt om de beweging van grote hemellichamen in de radioastronomie te bestuderen.

Polarisatiediversiteit

Polarisatiediversiteit is een speciaal geval van polarisatie waarbij meerdere versies van een signaal worden verzonden en ontvangen door verschillende soorten polarisatie te gebruiken. Dit is nuttig om polarisatiemismatch te verminderen omdat het signaal in verschillende polarisaties ontvangen zal worden. Bovendien vermindert het ook signaaldegradatie als gevolg van multipad-interferentie.

Deze techniek is nuttig in MIMO-systemen omdat het de grootte van MIMO-terminalstations en het aantal MIMO-antennes. Een dergelijk voordeel wordt bereikt door gebruik te maken van verschillende soorten gepolariseerde signalen en lage correlaties tussen deze signalen. Ondanks het voordeel van polarisatiediversiteit zal het bereiken van een dergelijke functionaliteit echter de kosten van het totale systeem verhogen.

Praktische overwegingen voor antennepolarisatie

Laten we tot slot enkele belangrijke praktische overwegingen begrijpen die we moeten maken bij het gebruik van antennepolarisatie. De belangrijkste factoren kunnen als volgt worden samengevat:

• Juiste uitlijning en oriëntatie: Dit is een cruciale factor om rekening mee te houden omdat het de helderheid en sterkte van het signaal beïnvloedt. Bovendien moet grote zorgvuldigheid worden betracht bij het gebruik van directionele communicatieverbindingen.
• Beperking van polarisatiemismatch: Polarisatie mismatch kan uiteindelijk leiden tot het niet ontvangen van het juiste signaal. Daarom kunnen we technieken zoals polarisatiediversiteit en adaptieve polarisatie gebruiken.
• Criteria voor antennekeuze: Verticale polarisatie heeft bijvoorbeeld de voorkeur in draagbare mobiele radio's. Daarom wordt de dipoolantenne verticaal gemonteerd. Bovendien kunnen draadantennes worden gebruikt in het hoogfrequentiebereik en voor gepolariseerde signalen met een hogere frequentie worden lineaire polarisatiemethoden gebruikt.

Toekomstige trends en ontwikkelingen

Met de vooruitgang in 5G- en 6G-communicatie zien we een toename in onderzoek naar adaptieve polarisatietechnieken en het gebruik van machine-learningtechnieken in draadloze communicatie. Bovendien is onderzoek naar intelligente reflecterende oppervlakken voor adaptieve antennes een ander opkomend onderzoeksgebied in de industrie. Deze onderzoekstrends kunnen bijdragen aan opkomende communicatiesystemen die IoT-toepassingen (Internet of Things), dronecommunicatie en netwerken voor voertuigen mogelijk maken.

Conclusie

Concluderend kunnen we stellen dat polarisatie een belangrijk concept is dat we moeten begrijpen voor toepassingen met antennes en communicatiesystemen. In dit artikel hebben we het belang van antennepolarisatie, de verschillende typen en hun toepassingen besproken. Dit korte artikel kan worden gebruikt als naslagwerk om het begrip polarisatie te begrijpen.