Czym jest polaryzacja anteny i dlaczego ma znaczenie?

Polaryzacja jest ważnym zjawiskiem, które jest przydatne w różnych analizach fal elektromagnetycznych (EM). Zrozumienie polaryzacji odgrywa znaczącą rolę w maksymalnej transmisji sygnału. Maksymalna transmisja sygnału to zdarzenie, w którym wierność sygnału jest zachowana podczas transmisji. Aby osiągnąć maksymalną transmisję sygnału, elementy anteny nadajnika i odbiornika muszą utrzymywać tę samą polaryzację anteny. W przypadku braku dopasowania polaryzacji siła sygnału zostanie zmniejszona.

W tym artykule omówimy znaczenie zrozumienia polaryzacji anteny. Obejmuje to omówienie krótkiej historii polaryzacji, rodzajów polaryzacji anten i czynników wpływających na polaryzację. Ponadto zbadamy niektóre zastosowania polaryzacji anteny i sposób ich wykorzystania w różnych dziedzinach. Niniejszy artykuł może służyć jako krótki i zwięzły kompleksowy przewodnik po polaryzacji anteny.

Podstawy polaryzacji anteny

Fala EM składa się z dwóch prostopadłych pól. Te pola to:

• Pole elektryczne (pole E)
• Pole magnetyczne (pole H)

Te dwa pola są prostopadłe do siebie i do kierunku propagacji fali. Polaryzacja anteny jest definiowana na podstawie orientacji pola elektrycznego. W związku z tym możemy zdefiniować polaryzację anteny jako orientację pola E fali EM wypromieniowywanej przez antenę nadajnika. Jest to ważna koncepcja, ponieważ pole E jest ważne, gdy rozważamy siłę sygnału.
Jeśli chodzi o historię polaryzacji anten, James Maxwell jest jednym z najbardziej wpływowych naukowców, który sformułował równania Maxwella opisujące propagację fal EM i interakcję między polem E i polem H. Jednak to Heinrich Hertz eksperymentalnie zademonstrował polaryzację za pomocą anteny dipolowej pod koniec lat 80. XIX wieku. Jednak to Heinrich Hertz eksperymentalnie zademonstrował polaryzację za pomocą anteny dipolowej pod koniec lat osiemdziesiątych XIX wieku.

Krótkie zrozumienie definicji polaryzacji anteny i historii polaryzacji anteny jest niezbędne do zrozumienia podstawowego związku między polaryzacją anteny a falami EM. Zasadniczo polaryzacja anteny może wpływać na fale EM,

• Siła sygnału po stronie odbiorczej
• Poziom zakłóceń sygnału spowodowanych interferencją wielościeżkową i niedopasowaniem polaryzacji

Oprócz tych dwóch podstawowych idei, polaryzacja może również w znacznym stopniu ograniczać konstrukcję anteny. Dlatego też przed przystąpieniem do projektowania anteny konieczne jest właściwe zrozumienie jej polaryzacji.

Rodzaje polaryzacji anteny

Istnieje kilka rodzajów trybów polaryzacji anteny w zależności od różnych okoliczności, które zależą od warunków środowiskowych i konstrukcji anteny. Ponadto, w zależności od zalet i wad każdego typu polaryzacji anteny, są one stosowane w różnych formach bezprzewodowych mediów komunikacyjnych.

Istnieją trzy główne typy polaryzacji anteny, a mianowicie,

1. Polaryzacja liniowa
2. Polaryzacja kołowa
3. Polaryzacja eliptyczna

Polaryzacja pozioma i pionowa

Podwójna polaryzacja skośna

Polaryzacja liniowa

Polaryzacja liniowa jest najczęstszym typem polaryzacji, jaki możemy zaobserwować w praktycznych zastosowaniach. W polaryzacji liniowej całe transmitowane promieniowanie jest ograniczone do jednej płaszczyzny. W tym przypadku pole E oscyluje tylko w jednym kierunku. W zależności od kierunku oscylacji pola E, istnieją trzy podkategorie polaryzacji liniowej. Są to:

• Polaryzacja pozioma - tutaj pole E oscyluje z boku na bok i może być odbierane przez poziome elementy anteny.
• Polaryzacja pionowa - tutaj pole E oscyluje w górę i w dół i może być odbierane przez elementy pionowe. Istotną zaletą polaryzacji pionowej jest to, że promieniuje ona równomiernie wokół płaszczyzny poziomej.
• Polaryzacja skośna - tutaj pole E oscyluje pod kątem do płaszczyzny poziomej lub pionowej. Polaryzacja skośna może być odbierana zarówno przez poziome, jak i pionowe elementy anteny.

Polaryzacja kołowa

W tym przypadku pole E obraca się podczas propagacji sygnału. Jest to złożona forma polaryzacji w porównaniu do polaryzacji liniowej, która jest szeroko stosowana w aplikacjach komunikacji satelitarnej. Ponadto, aby wystąpiła polaryzacja kołowa, konieczne jest spełnienie trzech warunków. Są to:

• Pole E musi mieć dwie ortogonalne składowe wektorowe
• Te składowe wektora powinny być przesunięte w fazie o 90 stopni
• Te składowe wektora powinny być równe pod względem wielkości

W zależności od kierunku rotacji pola E istnieją dwa rodzaje polaryzacji kołowej, a mianowicie:

• Prawostronna polaryzacja kołowa (RHCP)
• Lewostronna polaryzacja kołowa (LHCP)

Polaryzacja eliptyczna

Polaryzacja eliptyczna jest mieszanką polaryzacji liniowej i kołowej. Mieszanka ta wynika z niedopasowania wielkości ortogonalnych składowych wektora pola E, które opisaliśmy wcześniej w polaryzacji kołowej. Podobnie jak polaryzacja kołowa, polaryzacja eliptyczna jest szeroko stosowana w komunikacji satelitarnej, a także w systemach radarowych.

Czynniki wpływające na polaryzację anteny

Wiele czynników może wpływać na polaryzację anteny, ponieważ fale EM rozchodzą się swobodnie w przestrzeni. Możemy jednak zawęzić kilka kluczowych czynników, które mogą mieć znaczący wpływ na polaryzację anteny. Czynniki te to:

• Czynniki środowiskowe: W tym przypadku głównym czynnikiem jest ukształtowanie terenu. W zależności od charakteru terenu, tj. miejskiego, wiejskiego itp., na stopień polaryzacji wpływa odbicie, dyfrakcja i rozpraszanie sygnału. Ponadto przeszkody obecne w otoczeniu mogą oddziaływać na sygnał poprzez odbicie i pochłanianie.
• Częstotliwość: Częstotliwość transmisji określa stopień polaryzacji, przy czym wyższe częstotliwości są bardziej podatne na polaryzację.
• Konstrukcja anteny: Rozmiar, kształt, orientacja i różne elementy anteny również mogą wpływać na polaryzację, ponieważ określają sposób odbioru i transmisji sygnału.
• Względy związane z propagacją sygnału: Inne czynniki, takie jak warunki atmosferyczne i zniekształcenia kanału mogą również wpływać na polaryzację.

Zastosowania polaryzacji anteny

Mając kompleksowe pojęcie o polaryzacji anteny, zbadajmy teraz niektóre z szeroko stosowanych zastosowań polaryzacji anteny. Jeśli chodzi o bezprzewodowe systemy telekomunikacyjne, polaryzacja jest wykorzystywana do redukcji zakłóceń, które mogą wystąpić podczas transmisji. Co więcej, osiągnięcie pożądanej polaryzacji zwiększy klarowność sygnału i jego siłę. Wreszcie, w bezprzewodowych systemach telekomunikacyjnych, takich jak sieci komórkowe, polaryzacja jest wykorzystywana do zwiększenia przepustowości kanału poprzez osiągnięcie różnych smaków polaryzacji w tym samym kanale. Również w systemach RFID polaryzacja może być czynnikiem wpływającym na określenie zasięgu odczytu systemów RFID ze względu na zakłócenia w środowisku.

Co więcej, polaryzacja kołowa i eliptyczna są szeroko stosowane w systemach satelitarnych i radarowych ze względu na wysoki stopień zakłóceń w tych systemach. W przypadku komunikacji satelitarnej, wprowadzenie polaryzacji kołowej może skutecznie zrekompensować zniekształcenia sygnału, które mogą wystąpić z powodu rotacji satelitów. Co więcej, te dwa rodzaje polaryzacji mogą być również wykorzystywane do badania ruchu dużych ciał niebieskich w radioastronomii.

Różnorodność polaryzacji

Różnorodność polaryzacji jest szczególnym przypadkiem polaryzacji, w którym wiele wersji sygnału jest przesyłanych i odbieranych przy użyciu kilku rodzajów polaryzacji. Jest to przydatne w łagodzeniu niedopasowania polaryzacji, ponieważ sygnał będzie odbierany w różnych typach polaryzacji. Co więcej, zmniejsza to również degradację sygnału spowodowaną zakłóceniami wielościeżkowymi.

Technika ta jest przydatna w Systemy MIMO ponieważ zmniejszy to rozmiar stacji końcowych MIMO i liczbę Anteny MIMO. Taką przewagę uzyskuje się dzięki zastosowaniu kilku rodzajów spolaryzowanych sygnałów i niskiej korelacji między nimi. Jednak pomimo zalet różnorodności polaryzacji, osiągnięcie takiej funkcjonalności zwiększy koszt całego systemu.

Praktyczne aspekty polaryzacji anteny

Na koniec przyjrzyjmy się kilku ważnym kwestiom praktycznym, które należy wziąć pod uwagę przy korzystaniu z polaryzacji anteny. Główne czynniki można podzielić w następujący sposób:

• Prawidłowe ustawienie i orientacja: Jest to kluczowy czynnik, który należy wziąć pod uwagę, ponieważ wpłynie on na czystość i siłę sygnału. Ponadto należy zachować szczególną ostrożność podczas korzystania z kierunkowych łączy komunikacyjnych co1TP14.
• Łagodzenie niedopasowania polaryzacji: Niedopasowanie polaryzacji może ostatecznie spowodować niepowodzenie w odbiorze prawidłowego sygnału. Dlatego też możemy wykorzystać techniki takie jak różnorodność polaryzacji i polaryzacja adaptacyjna.
• Kryteria wyboru anteny: Na przykład polaryzacja pionowa jest preferowana w ręcznych radiotelefonach przenośnych, dlatego antena dipolowa jest montowana pionowo. Ponadto anteny drutowe mogą być używane w zakresie wysokich częstotliwości, a dla sygnałów spolaryzowanych o wyższej częstotliwości stosowane są metody polaryzacji liniowej.

Przyszłe trendy i rozwój

Wraz z postępem w dziedzinie komunikacji 5G i 6G możemy zaobserwować wzrost badań nad technikami adaptacyjnej polaryzacji i wykorzystaniem technik uczenia maszynowego w komunikacji bezprzewodowej. Co więcej, badania nad inteligentnymi powierzchniami odblaskowymi dla anten adaptacyjnych to kolejny rozwijający się obszar badawczy w branży. Te trendy badawcze mogą przyczynić się do powstania systemów telekomunikacyjnych ułatwiających aplikacje IoT (Internet of Things), telekomunikację dronów i sieci pojazdów.

Wnioski

Podsumowując, widzimy, że polaryzacja jest ważną koncepcją, którą musimy zrozumieć, aby poradzić sobie z aplikacjami obejmującymi anteny i systemy komunikacji co1TP14. W tym artykule omówiliśmy znaczenie polaryzacji anteny, różne typy i ich zastosowania. Ten krótki artykuł może być wykorzystany jako odniesienie do zrozumienia koncepcji polaryzacji.