Радиоантенны чувствительны к поляризации электромагнитной волны, и это важный аспект их работы.
Поляризация антенны является важным фактором при проектировании и установке радиоантенн или даже при их включении в небольшие системы беспроводной или мобильной связи. Некоторые антенны имеют вертикальную поляризацию, другие — горизонтальную, а третьи типы антенн имеют разные формы поляризации. При проектировании антенны, выборе конкретной формы антенны важно понимать, в какую сторону она должна быть поляризована. Радиоантенны с определенной поляризацией не будут эффективно принимать сигналы электромагнитных волн с другой поляризацией.
Тем не менее, многие беспроводные и мобильные телефонные системы могут полагаться на тот факт, что между передатчиком и приемником, вероятно, будет много отражений, и это будет означать, что сигнал будет иметь определенную поляризацию, когда он достигнет приемника. Тем не менее, поляризация антенны по-прежнему важна.
Основы поляризации антенны
Для электромагнитной волны поляризация фактически представляет собой плоскость, в которой колеблется электрическая волна. Это важно при рассмотрении антенн, поскольку они чувствительны к поляризации и обычно принимают или передают сигнал только с определенной поляризацией. Для большинства антенн очень легко определить поляризацию. Он просто находится в одной плоскости с элементами антенны. Таким образом, вертикальная антенна (т. е. антенна с вертикальными элементами) будет лучше всего принимать сигналы с вертикальной поляризацией, и точно так же горизонтальная антенна будет принимать сигналы с горизонтальной поляризацией. Важно, чтобы поляризация радиочастотной антенны соответствовала поляризации входящего сигнала. Таким образом достигается максимальный сигнал. Если поляризация радиочастотной антенны не совпадает с поляризацией сигнала, уровень сигнала снижается. Он уменьшается на коэффициент косинуса угла между поляризацией РЧ-антенны и сигналом.
Соответственно поляризация антенн, расположенных в свободном пространстве, очень важна, и, очевидно, они должны быть в одной плоскости для обеспечения оптимального сигнала. Если бы они находились под прямым углом друг к другу (т. е. были бы кроссполяризованы), то теоретически никакой сигнал не был бы получен. Для приложений наземной радиосвязи установлено, что после передачи сигнала его поляризация в целом остается неизменной. Однако отражения от объектов на пути могут изменить поляризацию. Поскольку принятый сигнал представляет собой сумму прямого сигнала и ряда отраженных сигналов, общая поляризация сигнала может немного измениться, хотя в целом она остается неизменной.
Категории поляризации
Различные типы поляризации электромагнитных волн распространяются немного по-разному при определенных обстоятельствах. Это означает, что для некоторых видов радиовещания, радиосвязи или для некоторых беспроводных систем могут использоваться различные формы поляризации. В общем, преимущества и недостатки различных форм поляризации относительно незаметны, но для некоторых форм радиовещания, беспроводных линий радиосвязи или систем мобильной связи эти небольшие различия могут иметь большое значение. Существует несколько категорий поляризации, и внутри каждого типа есть несколько подкатегорий. При этом соответствующие антенны имеют соответствующие поляризации.
- Линейная поляризация: Линейная поляризация является наиболее распространенной формой поляризации антенны. Он характеризуется тем, что все излучение находится в одной плоскости — отсюда и термин линейный:
- Горизонтальная поляризация: эта форма поляризации антенны имеет горизонтальные элементы. Он улавливает и излучает горизонтально поляризованные сигналы, т.е. электромагнитные волны с электрическим полем в горизонтальной плоскости.
- Вертикальная поляризация: для этой формы антенны характерны вертикальные элементы внутри антенны. Это может быть один вертикальный элемент. Одной из причин использования вертикальной поляризации является то, что антенны, состоящие из одного вертикального элемента, могут равномерно излучать вокруг него в горизонтальной плоскости. Обычно антенны с вертикальной поляризацией имеют так называемый малый угол излучения, что позволяет излучать большую часть их мощности под углом, близким к поверхности земли. Антенны с вертикальной поляризацией также очень удобны для использования в автомобилях.
- Наклонная поляризация: это форма поляризации радиоантенны, которая находится под углом к горизонтальной или вертикальной плоскостям. Таким образом, как вертикальные, так и горизонтально поляризованные антенны могут принимать сигнал.
- Круговая поляризация: имеет ряд преимуществ для таких областей, как спутниковые приложения, где она помогает преодолеть эффекты аномалий распространения, отражения от земли и эффекты вращения, которые возникают на многих спутниках. Круговую поляризацию визуализировать немного сложнее, чем линейную поляризацию. Однако это можно представить, визуализируя сигнал, распространяющийся от вращающейся радиочастотной антенны. Затем будет видно, что кончик вектора электрического поля очерчивает спираль или штопор по мере его удаления от антенны.
- Правосторонняя круговая поляризация: в этой форме поляризации вектор вращается вправо.
- Левосторонняя круговая поляризация: В этой форме поляризации вектор вращается влево, т.е. противоположно правому.
- Смешанная поляризация. Другая форма поляризации известна как эллиптическая поляризация. Это происходит, когда есть смесь линейной и круговой поляризации. Это можно визуализировать, как и раньше, с помощью кончика вектора электрического поля, очерчивающего штопор эллиптической формы.
Антенны с линейной поляризацией могут принимать сигналы с круговой поляризацией и наоборот. Сила будет одинаковой независимо от того, установлена ли линейно поляризованная антенна вертикально, горизонтально или в любой другой плоскости, но направленной на приходящий сигнал. Будет некоторое ухудшение, поскольку уровень сигнала будет на 3 дБ меньше, чем если бы использовалась антенна с круговой поляризацией того же направления. Такая же ситуация возникает, когда антенна с круговой поляризацией принимает сигнал с линейной поляризацией.
Приложения для различных типов поляризации антенны
Различные типы поляризации используются в разных приложениях, чтобы можно было использовать их преимущества. Соответственно, для разных приложений используются разные формы поляризации:
- Общая радиосвязь: линейная поляризация, безусловно, наиболее широко используется для большинства приложений радиосвязи, поскольку радиоантенны, как правило, проще и понятнее.
- Мобильные телефоны и беспроводная связь малого радиуса действия. В последние годы наблюдается феноменальный рост использования мобильных телефонов и беспроводной связи малого радиуса действия. Все, от сотовой связи до Wi-Fi и множества других стандартов, обеспечивающих беспроводную связь малого радиуса действия. Обычно для этих устройств используется линейная поляризация, потому что в этих устройствах антенны с линейной поляризацией легче изготовить, и, следовательно, базовые станции должны иметь аналогичную поляризацию. Хотя часто используется вертикальная поляризация, многие устройства, такие как маршрутизаторы Wi-Fi, имеют регулируемые антенны. Кроме того, тот факт, что эти коммуникации часто имеют пути прохождения сигнала, которые могут отражаться от различных поверхностей, поляризация, которая достигает приемника, может быть относительно случайной, и, следовательно, это может быть меньшей проблемой.
- Мобильная двусторонняя радиосвязь. Существует множество традиционных систем мобильной двусторонней радиосвязи, которые до сих пор используются для самых разных целей, от служб экстренной помощи до множества частных приложений мобильной радиосвязи, где радиопередатчики расположены в транспортных средствах. Вертикальная поляризация часто используется для этой мобильной двусторонней радиосвязи. Это связано с тем, что многие конструкции радиоантенн с вертикальной поляризацией имеют всенаправленную диаграмму направленности, и это означает, что антенны не нужно переориентировать в зависимости от положения, как это всегда происходит при мобильной радиосвязи во время движения транспортного средства.
- Ионосферная ВЧ-связь на большие расстояния: используются как вертикальная, так и горизонтальная поляризация:
- Горизонтальная поляризация. Проводные антенны широко используются для ВЧ-связи. Их, как правило, легче монтировать с использованием двух опор, оставляя проволочную антенну подвешенной между ними. Таким образом, антенна имеет горизонтальную поляризацию. Для больших многоэлементных антенных решеток механические ограничения означают, что их легче установить в горизонтальной плоскости, чем в вертикальной. Это связано с тем, что элементы РЧ-антенны расположены под прямым углом к вертикальной опоре, на которой они установлены, и, следовательно, при использовании антенны с горизонтальными элементами между ними меньше физических и электрических помех.
- Вертикальная поляризация: широко используются антенны, состоящие из одного вертикального элемента. Антенна с вертикальной поляризацией обеспечивает малый угол излучения, что позволяет ей обеспечивать хорошую передачу и прием на большие расстояния.
- Радиовещание на средних волнах: радиовещательные станции на средних волнах обычно используют вертикальную поляризацию, потому что распространение земных волн над землей значительно лучше при использовании вертикальной поляризации, тогда как горизонтальная поляризация показывает незначительное улучшение для связи на большие расстояния с использованием ионосферы.
- Антенна с вертикальной поляризацией имеет то преимущество, что она будет излучать одинаково во всех направлениях, параллельных Земле, и это дает преимущества для покрытия. Кроме того, для вертикальной антенны требуется только вертикальный элемент, а для горизонтально поляризованной антенны потребуются две опоры.
- Спутниковая связь: Круговая поляризация иногда используется для спутниковой радиосвязи, поскольку она дает некоторые преимущества с точки зрения распространения и преодоления замирания, вызванного изменением ориентации спутника.
Как видно, каждая форма поляризации радиоантенны имеет свои преимущества, которые можно использовать в конкретных случаях. Выбор правильной формы поляризации может дать некоторые преимущества и, следовательно, может быть весьма важным.