Что такое антенна MiMo с двойной поляризацией? Полное руководство

Понимание антенных технологий крайне важно для всех, кто работает в сфере беспроводной связи. Двухполяризационные антенны - важнейший компонент, оказывающий большое влияние на функциональность современных систем связи, и это руководство поможет вам разобраться в них. В быстро развивающемся мире технологий понимание двухполяризационных антенн и их значения очень важно. Являясь ведущими в совершенствовании систем связи, эти антенны обеспечивают более высокое качество сигнала и более эффективное использование полосы пропускания.

Множественные входы и выходы (MIMO) технология стала основой для увеличения пропускной способности сети, спектральной эффективности и скорости передачи данных. Чтобы достичь этих улучшений, двухполяризационные MIMO-антенны Они необходимы для того, чтобы передавать и принимать сигналы ортогональных поляризаций.

Разновидности, преимущества, сравнение с однополяризационными антеннами и различные варианты использования двухполяризационных антенн подробно рассмотрены в этой статье. Это подробное руководство предлагает обзор двухполяризационных MIMO-антенн, охватывая все, от теоретических основ до реальных применений.

Что такое антенна с двойной поляризацией?

Когда речь идет об отправке и приеме сигналов в двух разных плоскостях поляризации, обычно горизонтальной и вертикальной, антенна с двойной поляризацией является отличным инструментом. Эта двойная функция очень важна для эффективной связи, поскольку позволяет удвоить пропускную способность системы связи, не требуя увеличения полосы пропускания или мощности передатчика.

Двойная полярность означает способность антенны одновременно передавать и принимать сигналы в двух разных плоскостях. Для этого используются два набора элементов или антенн, расположенных под прямым углом друг к другу. Обычно они располагаются горизонтально и вертикально, чтобы передавать и принимать сигналы в двух ортогональных плоскостях. Улучшенное разнообразие сигналов и подавление помех - вот два преимущества антенн с двойной полярностью, которые необходимы для обеспечения надежной связи в различных условиях.

Как это работает?

Двухполяризованные антенны работают, одновременно передавая и принимая сигналы в двух разных поляризациях. Термин "поляризация" описывает, как ориентированы электромагнитные волны при их пространственном распространении. Электромагнитные волны в однополяризованной антенне распространяются либо в вертикальном, либо в горизонтальном направлении. Но в двухполяризованной антенне волны распространяются в двух ортогональных направлениях, обычно вертикальном и горизонтальном.

Двухполяризованные антенны достигают этого за счет наличия двух наборов излучающих элементов, каждый из которых ориентирован в определенной поляризации. Обычно используется кросс-поляризованное расположение этих излучающих элементов, при котором один набор элементов выровнен вертикально, а другой - горизонтально.

Двухполяризованная антенна способна одновременно передавать сигналы в вертикальной и горизонтальной поляризациях. Благодаря этому в одном и том же частотном диапазоне можно передавать два отдельных потока данных. Аналогичным образом антенна может одновременно принимать сигналы в обеих поляризациях, тем самым удваивая количество принимаемых данных.

Преимущество двухполяризованных антенн заключается в удвоении пропускной способности канала связи за счет передачи и приема большего количества данных в одной и той же полосе частот. Благодаря этому они очень эффективны в переполненном спектре, где очень важно обеспечить максимальную передачу данных.

Для чего используется двухполяризационная антенна?

С помощью двухполяризационной антенны можно одновременно передавать и принимать сигналы с двумя разными поляризациями. С ее помощью можно передавать и принимать два разных сигнала или потока данных в одном и том же диапазоне частот. Этот вид антенн часто используется в системах беспроводной связи для одновременной передачи и приема множества сигналов, что повышает пропускную способность и эффективность системы. Радарные системы также используют ее для различения отраженных сигналов от различных объектов в зависимости от их поляризации.

Типы поляризации антенн

Вертикальная поляризация

При вертикальной поляризации электрическое поле электромагнитной волны колеблется вертикально по отношению к поверхности Земли. В этом случае электрическое поле ориентировано перпендикулярно земле. В спутниковой связи, телевидении и беспроводной связи этот вид поляризации также часто используется. Этот вид хорошо работает в городских условиях, где сигналы должны эффективно проходить через здания.

Горизонтальная поляризация

При горизонтальной поляризации электрическое поле колеблется в горизонтальной плоскости. В этом случае электрическое поле параллельно земле. Спутниковая связь и телевизионные передачи часто используют этот вид поляризации. Поскольку при горизонтальной поляризации меньше отражений от земли, чем при вертикальной, она лучше подходит для дальней связи, особенно в сельской местности.

Перекрестная поляризация (двойной наклон ±45°)

Когда две поляризации поддерживаются антенной под углами ±45° к горизонтальной оси, такая конфигурация называется кросс-поляризацией. Одним из видов поляризации, используемых в мобильной связи, является 45-поляризация. Она описывает, как электрическое поле радиоволны ориентировано относительно поверхности Земли. При 45-поляризации электрическое поле ориентировано под углом 45 градусов к поверхности Земли.
В сотовых сетях часто используется такая поляризация для уменьшения помех и повышения качества сигнала. Антенны с двойной поляризацией известны благодаря такому расположению, которое очень полезно в системах MIMO для уменьшения помех и повышения качества сигнала.

Круговая поляризация: RHCP / LHCP

Когда волна распространяется в круговой поляризации, электрическое поле вращается по кругу. Правосторонняя круговая поляризация (RHCP) и левосторонняя круговая поляризация (LHCP) - это два вида круговой поляризации. Спутниковая связь, GPS, RFID, беспроводная связь и системы, которые должны стабильно работать даже при различной ориентации сигнала, часто используют круговую поляризацию.

Преимущества антенн с двойной поляризацией

Двойная поляризация дает ряд преимуществ в различных областях применения. К числу основных преимуществ относятся:

• Повышение качества данных

 Двойная поляризация позволяет получить дополнительные сведения об объекте или сцене наблюдения. Более качественные изображения и измерения можно получить, отправляя и принимая сигналы как в горизонтальной, так и в вертикальной поляризации, что позволяет собрать более точную информацию об объекте.

• Улучшенная идентификация цели  

Двойная поляризация облегчает различение различных типов целей. Например, она помогает различать дождь, снег, град и другие виды осадков при использовании метеорологических радаров. При дистанционном зондировании она помогает различать различные формы почвенно-растительного покрова, включая городские районы, леса и сельское хозяйство.

• Повышенная чувствительность

Радарные системы могут стать более чувствительными благодаря двойной поляризации. Радар может увеличить возможности обнаружения и измерения, улавливая большее количество обратно рассеянной энергии цели, посылая и принимая сигналы в двух поляризациях.

• Уменьшение помех

В радиолокационных системах двойная поляризация помогает уменьшить помехи и наводки. Более чистые и точные измерения можно получить, отделив сигнал цели от нежелательных сигналов и фонового шума с помощью обеих поляризаций.

• Улучшенная производительность при неблагоприятных погодных условиях

В неблагоприятных условиях, таких как сильный дождь или снег, двойная поляризация работает лучше. Обе поляризации можно использовать для повышения точности измерений и уменьшения влияния ослабления сигнала.

•  Улучшенное распознавание и классификация целей

Задачи, связанные с распознаванием и классификацией целей, могут выиграть от использования двойной поляризации. Различные виды целей могут быть идентифицированы и классифицированы в соответствии с их характеристиками рассеяния путем изучения поляризационных особенностей обратно рассеянных сигналов.

В целом, благодаря многочисленным преимуществам в плане качества данных, дискриминации целей, чувствительности, снижения помех, работы в плохую погоду и распознавания целей, двойная поляризация является полезным инструментом для различных приложений, включая метеорологические радары, дистанционное зондирование и военное наблюдение.

Сравнение с антеннами с одной поляризацией (SISO-антеннами)

Поскольку антенны с одной поляризацией (SISO) используют только одну поляризацию, их производительность и мощность ограничены в сложных ситуациях распространения. Сравнение показывает следующие существенные различия между SISO и двухполяризационными антеннами,

Однополяризованные антенны предназначены для передачи и приема сигналов только в одной поляризации, которая может быть вертикальной или горизонтальной. Это означает, что они могут передавать и принимать только сигналы, поляризованные в том же направлении. Сила сигнала значительно снижается, если поляризация передатчика и антенны различна.

В отличие от них, двухполяризованные антенны могут передавать и принимать сигналы как в вертикальной, так и в горизонтальной поляризации. В результате они могут взаимодействовать с устройствами, у которых ориентация поляризации отличается от их собственной. Поскольку двухполяризованные антенны могут подстраиваться под поляризацию входящего сигнала, создавая более сильные и четкие сигналы, они обеспечивают более надежный и эффективный канал связи.

В заключение следует отметить, что основное различие между однополяризованными и двухполяризованными антеннами заключается в том, что первые используют только одну поляризацию, а вторые - горизонтальную и вертикальную, предлагая более гибкий и эффективный метод передачи сигналов.

Антенны 2×2 против 4×4 MIMO

Вы можете встретить такие термины, как 2×2, 4×4 и 8×8 MIMO, если вы решили, что вам нужна не одна антенна, а MIMO. В системе MIMO эти числа обозначают количество передатчиков (первое число) и приемников (второе число).

2×2 MIMO

Два передатчика и два приемника составляют систему 2×2 MIMO. Две антенны, как правило, имеют кросс-поляризацию, то есть располагаются друг над другом в форме "x" или "+", так что они отделены друг от друга. При такой конфигурации можно одновременно передавать и принимать два потока данных. Многие WiFi роутеры потребительского класса и некоторые устройства 4G и 5G часто используют 2×2 MIMO. Хотя 2×2 не обеспечивает такой же уровень производительности, как системы MIMO более высокого порядка, скорость передачи данных обычно на 30% выше, чем в системах SISO (Single Input, Single Output). В сетях Wi-Fi и LTE часто используется такая конфигурация, поскольку она обеспечивает небольшое улучшение покрытия и скорости передачи данных.

4×4 MIMO

Используя четыре передатчика и четыре приемника, система 4×4 MIMO значительно увеличивает пропускную способность и надежность сети. Для высокоскоростных приложений, таких как 5G и сложные беспроводные сети, это очень выгодно. Это позволяет увеличить пропускную способность на 30% по сравнению с 2×2 MIMO и получить до четырех "пространственно мультиплексированных" потоков данных. Высококачественные WiFi-роутеры и некоторые современные устройства 4G и 5G часто используют 4×4 MIMO. На практике две кросс-поляризованные антенны 2×2 обычно составляют антенну 4×4 MIMO. Антенны просто размещаются внутри устройства.

Типы антенн с двойной поляризацией

Секторная антенна с двойной поляризацией

Секторные антенны с двойной полярностью используют секторную диаграмму направленности излучения в горизонтальной плоскости как для передачи, так и для приема. Более широкое или всенаправленное покрытие может быть достигнуто за счет объединения нескольких секторных антенн; ширина покрытия часто составляет 60, 90 или 120 градусов.
Базовые станции используют секторные антенны с двойной поляризацией для покрытия определенных секторов. Они идеально подходят для систем фиксированного беспроводного доступа и сотовых сетей. Проще говоря, секторные антенны - это более крупные панельные антенны с улучшенной изоляцией от передней до задней панели и направленностью.

Панельная антенна с двойной поляризацией

Эти многоцелевые плоские антенны используются для связи между зданиями и точками. Панельные антенны - это прямоугольные плоские антенны, которые обычно крепятся на стенах или других конструкциях снаружи или используются внутри. Чтобы сконцентрировать покрытие в определенном регионе или направлении, они обеспечивают относительно направленный сигнал. В ситуациях, когда между вами и вышкой сотовой связи есть препятствия, панельные антенны могут улучшить работу, поскольку они обычно легко нацеливаются и хорошо улавливают отраженные сигналы.

Антенна для потолочного крепления с двойной поляризацией

Для обеспечения бесперебойного беспроводного покрытия потолочные антенны предназначены для использования внутри помещений, в том числе в общественных местах и офисах. Благодаря способности передавать и принимать сигналы как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, потолочные антенны с двойной поляризацией получают все большее распространение. Эти антенны, устанавливаемые на потолке, улучшают покрытие в помещениях, особенно в местах с интенсивным движением.

Всенаправленная антенна с двойной поляризацией

В системах Wi-Fi и видеонаблюдения, которым требуется 360-градусное покрытие, часто используются всенаправленные антенны, передающие сигналы во всех направлениях. Всенаправленные антенны могут передавать и принимать сигналы в пределах 360-градусного круга. Их не нужно направлять на вышку сотовой связи, поскольку они собирают сигналы со всех направлений. Они хорошо подходят для повышения уровня сигнала в широком диапазоне операторов связи. Они хорошо работают в условиях, когда присутствует умеренный или сильный сигнал.

Тарельчатая антенна с двойной поляризацией

Двухполяризационные антенны-тарелки обеспечивают высокий коэффициент усиления и точную фокусировку луча, что делает их идеальными для дальней связи. В беспроводной связи на большие расстояния часто используются антенны-тарелки, которые являются высоконаправленными антеннами. Их отличает параболическая форма, которая помогает сфокусировать сигнал в узкий луч. Когда требуется сильный, сфокусированный сигнал на больших расстояниях, антенны-тарелки идеально подходят для этого, поскольку они способны обеспечить очень высокий коэффициент усиления. Они широко используются в радарных и спутниковых системах.

Антенна Yagi с двойной поляризацией

Антенны Yagi идеально подходят для связи "точка-точка" благодаря своим характеристикам направленности. Хорошим примером является двухполяризационная антенна Yagi от KP Performance, которая обеспечивает отличную производительность в изолированных и сельских районах. Эти антенны Yagi разработаны и протестированы в полевых условиях, чтобы обеспечить превосходное проникновение в деревья и производительность.

Применение двухполяризационных антенн

Двухполяризационные MIMO-антенны используются в различных областях. Во многих системах беспроводной связи используются двухполяризованные антенны, в том числе в системах спутниковой связи, базовых станциях сотовой связи, сетях Wi-Fi и микроволновой связи "точка-точка". Они особенно полезны в ситуациях, когда требуется высокая скорость передачи данных и эффективное использование спектра.

1. Микроволновые линии связи "точка-точка

В микроволновых линиях связи "точка-точка", требующих высокой пропускной способности на больших расстояниях, часто используются двухполяризованные антенны. Такие антенны оптимизируют эффективность использования полосы пропускания за счет поддержки двух независимых потоков данных на ортогональных поляризациях. Это очень важно для транзитных сетей мобильных операторов, где требуется надежная передача больших объемов данных. Кроме того, конструкция с двумя поляризациями повышает стабильность канала связи в сетях с высокой плотностью размещения за счет снижения уровня помех.

2. Базовые станции сотовой связи

Двухполяризованные антенны являются важнейшими компонентами базовых станций в сетях сотовой связи. Они позволяют использовать такие передовые технологии, как MIMO, которые повышают эффективность использования спектра и пропускную способность сети. Эти антенны гарантируют наилучшую передачу и прием сигнала как в городской, так и в сельской местности благодаря поддержке вертикальной и горизонтальной поляризации. В результате потребители мобильной связи получают большее покрытие, более высокую скорость передачи данных и улучшенную связь.

3. Сети Wi-Fi

В сетях Wi-Fi все чаще используются двухполяризованные антенны, особенно в общественных точках доступа и на предприятиях. Обеспечение высокоскоростным интернетом сразу нескольких пользователей требует эффективного использования доступного спектра, что обеспечивается их способностью работать с разными поляризациями. Это особенно полезно в местах с большим трафиком, включая стадионы, конференц-центры и аэропорты, где необходим надежный доступ.

4. Системы спутниковой связи

Двухполяризованные антенны очень важны для систем спутниковой связи, поскольку они позволяют одновременно работать в восходящем и нисходящем каналах на ортогональных поляризациях. Помимо повышения эффективности использования спектра, такая схема позволяет спутникам одновременно обслуживать больше клиентов или приложений. Кроме того, двойная поляризация уменьшает помехи, вызванные наложением сигналов, гарантируя надежную и точную связь. Приложения включают в себя телевещание, отслеживание погоды и GPS.

Факторы, которые необходимо учитывать при выборе антенн

• Частота:

Рабочая частота должна соответствовать предполагаемому применению, чтобы обеспечить оптимальную производительность. Например, более низкие частоты лучше подходят для дальней связи, а высокие частоты обеспечивают более высокую скорость передачи данных для приложений малого радиуса действия, таких как Wi-Fi и 5G.

5 антенн GHz с двойной поляризацией работают в диапазоне 4,9-5,9 GHz, охватывая нелицензируемые диапазоны, такие как IEEE 802.11a/n/ac для связи Wi-Fi. Высокоскоростная передача данных возможна благодаря значительной полосе пропускания, доступной на этих нелицензируемых частотах, а поскольку они не так широко используются, помех меньше, чем на более низких частотах.

• Усиление:

Антенны с большим коэффициентом усиления обеспечивают лучшую дальность и мощность сигнала, но за это часто приходится платить меньшей шириной луча. Антенны с большим коэффициентом усиления идеальны для связи "точка-точка" на больших расстояниях, в то время как антенны с меньшим коэффициентом усиления лучше подходят для более широких зон покрытия, например, в всенаправленных системах.

• Изоляция:

Хорошая изоляция между поляризациями минимизирует помехи между сигналами, передаваемыми и принимаемыми на ортогональных поляризациях. Это особенно важно в системах MIMO, где плохая изоляция может ухудшить производительность и снизить пропускную способность.

• Поляризация:

Выбор правильной поляризации повышает эффективность системы, обеспечивая оптимальное согласование сигнала между передатчиком и приемником. Например, двойная поляризация (горизонтальная и вертикальная) идеально подходит для систем MIMO, а круговая поляризация полезна для спутниковой связи, чтобы уменьшить деградацию сигнала, вызванную атмосферными условиями.

• Тип разъема:

Разъем должен быть совместим с линией передачи системы, чтобы обеспечить минимальные потери сигнала и эффективную передачу энергии. К распространенным типам разъемов относятся SMA, N-тип и TNC, каждый из которых выбирается в зависимости от диапазона частот, мощности и условий окружающей среды.

Почему поляризация антенны имеет значение

Поляризация антенны имеет большое значение. Направление электромагнитных волн, которые передает или принимает антенна, называется ее поляризацией. Поляризация антенны бывает двух основных видов: вертикальная и горизонтальная.
Для достижения наилучших результатов поляризация антенны должна совпадать с поляризацией передаваемого или принимаемого сигнала. При совпадении поляризаций достигается лучший уровень и качество сигнала, что обеспечивает эффективную передачу или прием.

Если поляризации не выровнены, сила сигнала может уменьшиться или, возможно, он будет полностью блокирован. Это связано с тем, что сигнал подвергается явлению, известному как потеря поляризации, когда поляризации перпендикулярны друг другу. Снижение интенсивности сигнала и, возможно, низкая производительность связи являются результатом этой потери, которая происходит, когда электрическое поле сигнала не может соединиться с антенной.
Поляризация антенны влияет не только на выравнивание, но и на эффективность системы и проникновение сигнала. Например, поскольку вертикальная поляризация улучшает проникновение сигнала через такие препятствия, как деревья и здания, она часто используется для связи "земля-воздух". Однако, поскольку она уменьшает помехи от других сигналов с другой поляризацией, горизонтальная поляризация часто используется для связи "точка-точка".

Чтобы гарантировать оптимальную производительность, чистоту сигнала, проникновение и эффективность системы, поляризация антенны является важным фактором при проектировании системы.

Заключение

Антенны с двойной поляризацией обеспечивают повышенную производительность, надежность и эффективность, что делает их важным прорывом в области коммуникационных технологий. Понимание влияния поляризации антенны необходимо ИТ-специалистам для успешного преодоления сложности современных систем связи. Эти антенны служат основой для 4G, 5G и последующих технологий, сочетая в себе улучшенную производительность, компактный дизайн и широкий спектр применения. Антенны с двойной поляризацией будут играть все более важную роль в развитии беспроводных технологий, поскольку беспроводная связь продолжает развиваться.

Антенны с двойной поляризацией приобретают все большее значение по мере того, как мы решаем проблемы беспроводной связи. Их способность увеличивать пропускную способность связи, не требуя дополнительных ресурсов, является важным достижением, означающим наступление эры, в которой передача данных будет более надежной, эффективной и быстрой, чем когда-либо прежде.

В целом, эта статья подчеркивает важную роль, которую двухполяризационные MIMO-антенны играют в развитии современных беспроводных систем связи, описывая фундаментальные концепции, виды, преимущества, сравнения с однополяризационными антеннами, реальные приложения и важные аспекты проектирования.