Что такое поляризация антенны и почему она имеет значение

Поляризация - это важное явление, которое полезно для различных анализов электромагнитных (ЭМ) волн. Понимание поляризации играет важную роль в передаче максимального сигнала. Максимальная передача сигнала - это событие, при котором сохраняется верность сигнала во время передачи. Для достижения максимальной передачи сигнала антенные элементы передатчика и приемника должны иметь одинаковую поляризацию антенны. В случае, если поляризация не совпадает, уровень сигнала снижается.

В этой статье мы обсудим важность понимания поляризации антенны. Это включает в себя обсуждение краткой истории поляризации, типов антенной поляризации и факторов, влияющих на поляризацию. Кроме того, мы рассмотрим некоторые области применения антенной поляризации и то, как они используются в различных сферах. Эта статья может служить кратким и емким исчерпывающим руководством по антенной поляризации.

Основы поляризации антенн

ЭМ-волна состоит из двух перпендикулярных полей. Этими полями являются:

• Электрическое поле (E-поле)
• Магнитное поле (H-поле)

Эти два поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны. Поляризация антенны определяется на основе ориентации электрического поля. Соответственно, мы можем определить поляризацию антенны как ориентацию Е-поля ЭМ-волны, излучаемой антенной передатчика. Это важное понятие, так как E-поле имеет большое значение при рассмотрении силы сигнала.
Если говорить об истории поляризации антенн, то одним из самых влиятельных ученых является Джеймс Максвелл, который сформулировал уравнения Максвелла для описания распространения ЭМ-волн и взаимодействия между Е-полем и Н-полем. Однако именно Генрих Герц экспериментально продемонстрировал поляризацию с помощью дипольной антенны в конце 1880-х годов.

Краткое понимание определения поляризации антенны и истории антенной поляризации необходимо для понимания фундаментальной взаимосвязи между поляризацией антенны и ЭМ-волнами. В принципе, поляризация антенны может влиять на ЭМ-волны,

• Уровень сигнала на приемной стороне
• Уровень помех сигнала из-за многолучевой интерференции и рассогласования поляризации

Помимо этих двух фундаментальных идей, поляризация также может в значительной степени ограничивать конструкцию антенны. Поэтому перед проектированием антенны необходимо иметь правильное представление о поляризации антенны.

Типы поляризации антенн

Существует несколько типов режимов поляризации антенн в зависимости от различных обстоятельств, которые зависят от условий окружающей среды и конструкции антенн. Кроме того, в зависимости от преимуществ и недостатков каждого типа антенной поляризации они используются в различных формах беспроводных средств связи.

Существует три основных типа поляризации антенн, а именно,

1. Линейная поляризация
2. Круговая поляризация
3. Эллиптическая поляризация

Горизонтальная и вертикальная поляризация

Двойная наклонная поляризация

Линейная поляризация

Линейная поляризация - наиболее частый тип поляризации, который мы можем наблюдать в практических приложениях. При линейной поляризации все передаваемое излучение ограничивается одной плоскостью. Проще говоря, здесь электронное поле будет колебаться только в одном направлении. В зависимости от направления колебаний Е-поля существует три подкатегории линейной поляризации. К ним относятся:

• Горизонтальная поляризация - здесь E-поле колеблется из стороны в сторону и может быть уловлено горизонтальными элементами антенны.
• Вертикальная поляризация - здесь E-поле колеблется вверх и вниз и может быть уловлено вертикальными элементами. Существенным преимуществом использования вертикальной поляризации является то, что излучение происходит равномерно в горизонтальной плоскости.
• Косая поляризация - здесь электронное поле колеблется под углом к горизонтальной или вертикальной плоскости. Косая поляризация может быть воспринята как горизонтальными, так и вертикальными элементами антенны.

Круговая поляризация

В этом случае E-поле будет вращаться во время распространения сигнала. Это сложная форма поляризации по сравнению с линейной поляризацией, которая широко используется в приложениях спутниковой связи. Кроме того, для возникновения круговой поляризации необходимо соблюдение трех условий. К ним относятся:

• E-поле должно иметь две ортогональные компоненты вектора
• Компоненты этих векторов должны быть рассогласованы по фазе на 90 градусов
• Эти компоненты вектора должны быть равны по величине

В зависимости от направления вращения E-поля существует два типа круговой поляризации, а именно:

• Правосторонняя круговая поляризация (RHCP)
• Левосторонняя круговая поляризация (LHCP)

Эллиптическая поляризация

Эллиптическая поляризация представляет собой смесь линейной и круговой поляризации. Эта смесь обусловлена несоответствием величины ортогональных компонент вектора поля E, которые мы описывали ранее в случае круговой поляризации. Как и круговая поляризация, эллиптическая поляризация широко используется в спутниковой связи, а также в радиолокационных системах.

Факторы, влияющие на поляризацию антенны

На поляризацию антенны могут влиять несколько факторов, поскольку электромагнитные волны свободно распространяются в пространстве. Однако можно выделить несколько ключевых факторов, которые оказывают существенное влияние на поляризацию антенны. К ним относятся:

• Экологические факторы: Здесь основное значение имеет рельеф местности. В зависимости от характера местности, т. е. городской, сельской и т. д., на степень поляризации влияют отражение, дифракция и рассеяние сигнала. Кроме того, препятствия, присутствующие в окружающей среде, могут влиять на сигнал путем отражения и поглощения.
• Частота: Частота передачи определяет степень поляризации: более высокие частоты более восприимчивы к поляризации.
• Конструкция антенны: Размер, форма, ориентация и различные элементы антенны также могут влиять на поляризацию, поскольку они определяют, как принимается и передается сигнал.
• Соображения, связанные с распространением сигнала: На поляризацию могут влиять и другие факторы, такие как атмосферные условия и искажения в канале.

Применение поляризации антенн

Получив полное представление о поляризации антенн, давайте рассмотрим некоторые из широко используемых применений поляризации антенн. Когда речь идет о системах беспроводной связи, поляризация используется для уменьшения помех, которые могут возникнуть в процессе передачи. Кроме того, достижение желаемой поляризации повышает четкость сигнала и его силу. Наконец, в таких системах беспроводной связи, как сотовые сети, поляризация используется для увеличения пропускной способности канала за счет различных вариантов поляризации в одном и том же канале. Кроме того, в системах RFID поляризация может быть влияющим фактором при определении дальности считывания RFID-систем из-за помех в окружающей среде.

Кроме того, круговая и эллиптическая поляризация широко используются в спутниковых и радиолокационных системах из-за высокой степени интерференции в этих системах. В случае спутниковой связи введение круговой поляризации позволяет эффективно компенсировать искажения сигнала, которые могут возникать из-за вращения спутников. Кроме того, эти два типа поляризации могут быть использованы для изучения движения крупных небесных тел в радиоастрономии.

Разнообразие поляризации

Поляризационное разнообразие - это особый случай поляризации, когда несколько версий сигнала передаются и принимаются с использованием нескольких типов поляризации. Это полезно для смягчения поляризационного рассогласования, поскольку сигнал будет приниматься в разных типах поляризации. Кроме того, это уменьшает деградацию сигнала из-за многолучевой интерференции.

Эта техника полезна при Системы MIMO поскольку это позволит уменьшить размер оконечных станций MIMO и количество MIMO-антенны. Такое преимущество достигается за счет использования нескольких типов поляризованных сигналов и низкой корреляции между ними. Однако, несмотря на преимущество поляризационного разнообразия, достижение такой функциональности приведет к увеличению стоимости всей системы.

Практические соображения по поляризации антенн

Наконец, давайте разберемся в некоторых важных практических соображениях, которые необходимо учитывать при использовании поляризации антенны. Основные факторы можно свести к следующему:

• Правильное выравнивание и ориентация: Это важнейший фактор, который необходимо учитывать, поскольку он влияет на четкость и силу сигнала. Кроме того, при использовании направленных линий связи следует соблюдать особую осторожность.
• Устранение поляризационного рассогласования: Несовпадение поляризации может привести к сбоям в приеме правильного сигнала. Поэтому мы можем использовать такие методы, как поляризационное разнообразие и адаптивная поляризация.
• Критерии выбора антенны: Например, в портативных мобильных радиостанциях предпочтительна вертикальная поляризация, поэтому дипольная антенна устанавливается вертикально. Кроме того, проволочные антенны могут использоваться в высокочастотном диапазоне, а для более высокочастотных поляризованных сигналов применяются методы линейной поляризации.

Будущие тенденции и разработки

С развитием связи 5G и 6G мы можем наблюдать рост исследований в области методов адаптивной поляризации и использования методов машинного обучения в беспроводной связи. Кроме того, исследования интеллектуальных отражающих поверхностей для адаптивных антенн - еще одна развивающаяся область исследований в отрасли. Эти направления исследований могут способствовать созданию новых систем связи, способствующих развитию приложений IoT (Интернета вещей), беспилотной связи и автомобильных сетей.

Заключение

В заключение можно сказать, что поляризация - это важная концепция, которую необходимо понимать для решения задач, связанных с антеннами и системами связи. В этой статье мы обсудили важность поляризации антенн, различные типы и их применение. Эта небольшая статья может быть использована в качестве справочника для понимания концепции поляризации.