Polarizace antény: Co to je a proč na ní záleží

WWW.WHWIRELESS.COM

Odhadovaná doba čtení: 15 minut

Každý elektroinženýr ví, že antény vysílají a přijímají signály ve formě elektromagnetických vln (vln elektromagnetické energie), jejichž vlastnosti lze popsat Maxwellovými rovnicemi. Stejně jako u mnoha specializovaných technických témat můžeme tyto rovnice spolu s pravidly šíření a charakteristikami elektromagnetických vln interpretovat z více hledisek – od poměrně jednoduchých kvalitativních popisů až po složité, propracované matematické vzorce.

Polarizace je jednou z mnoha charakteristik šíření elektromagnetické energie. Její vliv a míra, do jaké je třeba ji zohlednit, se značně liší v různých aplikačních scénářích a odpovídajících návrzích antén. Základní principy polarizace platí pro veškeré elektromagnetické záření, včetně radiofrekvenčních (RF)/bezdrátových signálů a světelné energie, přičemž polarizace se široce využívá v oblasti optiky. Tento článek se zabývá pouze radiofrekvenčním pásmem.

Co je polarizace antény?

Pro pochopení polarizace je nejprve nutné zvládnout základy elektromagnetických vln. Elektromagnetická vlna se skládá z elektrického pole (E-pole) a magnetického pole (H-pole), která se šíří stejným směrem. Elektrické a magnetické pole jsou navzájem kolmá a obě jsou kolmé ke směru šíření rovinné vlny.

Polarizace je definována jako rovina kmitání elektrického pole při pozorování od vysílacího konce ve směru šíření vlny. Při horizontální polarizaci elektrické pole kmitá ze strany na stranu v horizontální rovině; při vertikální polarizaci elektrické pole kmitá nahoru a dolů ve vertikální rovině (viz obrázek 1).

Obrázek 1: Elektromagnetická vlna se vzájemně kolmými složkami elektrického a magnetického pole

Vysílací a přijímací antény tvoří anténní pár a výkon vysílače a přijímače dosahuje maxima, když obě sdílejí stejné polarizační roviny. Jako odkaz na ikonickou větu z filmu Vetřelec z roku 1979 – „Ve vesmíru nikdo neuslyší váš křik“ – ve vesmíru neexistuje přirozený rozdíl mezi horizontální a vertikální polarizací. Přesto teorie přizpůsobení polarizace a vyrovnání antén stále platí pro maximalizaci přenosu a příjmu energie signálu.

Lineární a kruhová polarizace

Elektromagnetické vlny mají několik režimů polarizace:

• Základní lineární polarizace zahrnuje dvě vzájemně ortogonální (kolmé) formy polarizace (viz obrázek 2). Teoreticky nemůže horizontálně polarizovaná přijímací anténa zachytit žádný signál vysílaný vertikálně polarizovanou vysílací anténou pracující na stejné frekvenci a naopak. Čím blíže jsou polarizační orientace obou antén, tím silnější je přijímaný signál; účinnost přenosu energie signálu dosahuje maxima při dokonalém přizpůsobení polarizace.

Obrázek 2: Lineární polarizace nabízí dvě vzájemně ortogonální formy polarizace

• Šikmá polarizace je variantou lineární polarizace. Stejně jako standardní horizontální a vertikální polarizace se tato definice vztahuje pouze na pozemní scénáře. Šikmá polarizace svírá úhel ±45° vzhledem k horizontální rovině. Přestože je šikmá polarizace ve své podstatě lineární, když odborníci v oboru hovoří o „lineární polarizaci“, obvykle tím myslí pouze antény s horizontální nebo vertikální polarizací.
• Signály vysílané nebo přijímané anténami se šikmou polarizací mohou být zachyceny čistě horizontálně nebo vertikálně polarizovanými anténami, i když s určitou ztrátou signálu. Antény se šikmou polarizací jsou ideální pro případy použití, kde není znám stav polarizace jedné nebo obou antén, nebo kde se polarizace během provozu mění.
• Kruhová polarizace (CP) je složitější než lineární polarizace. V tomto režimu polarizace se vektor elektrického pole při šíření signálu nepřetržitě otáčí. Při pohledu směrem ven od vysílacího konce se otáčení vektoru elektrického pole ve směru hodinových ručiček nazývá pravotočivá kruhová polarizace (RHCP); otáčení proti směru hodinových ručiček se nazývá levotočivá kruhová polarizace (LHCP) (viz obrázek 3).

Obrázek 3: Vektor elektrického pole kruhově polarizovaných elektromagnetických vln se otáčí a rozděluje se na pravotočivé a levotočivé typy

Kruhově polarizované signály vznikají superpozicí dvou ortogonálních elektromagnetických vln s fázovým posunem 90°. Pro vytvoření kruhové polarizace musí být splněna tři kritéria: elektrické pole musí obsahovat dvě ortogonální složky; tyto dvě složky musí mít fázový rozdíl 90°; a obě složky musí mít stejnou amplitudu. Šroubovicové antény poskytují jednoduché řešení pro generování kruhově polarizovaných vln.

• Eliptická polarizace (EP) je odvozená forma kruhové polarizace. Stejně jako kruhově polarizované vlny jsou i elipticky polarizované vlny vytvořeny složením dvou lineárně polarizovaných vln. Eliptická polarizace vzniká, když jsou překryty dvě navzájem kolmé lineárně polarizované vlny s nestejnou amplitudou.

Míra nesouladu polarizace mezi dvěma anténami se kvantifikuje pomocí faktoru ztráty polarizace (PLF), měřeného v decibelech (dB). Jeho hodnota je určena polarizačním úhlem mezi vysílací a přijímací anténou. Teoreticky se PLF rovná 0 dB při dokonalém přizpůsobení polarizace (nulová ztráta); pokud jsou dvě antény plně ortogonálně polarizované, PLF se blíží nekonečnu (úplný útlum signálu).

V reálných aplikacích však antény nemohou dosáhnout dokonale shodné nebo plně ortogonální polarizace. Mechanická nesouosost při instalaci, chyby obsluhy, zkreslení kanálu, vícecestné odrazy a další faktory způsobují úhlovou odchylku směru polarizace vysílaného elektrického pole. I když jsou dvě antény navrženy pro ortogonální polarizaci, v praxi stále dochází k úniku křížové polarizace o 10 až 30 dB nebo více. V některých scénářích je tento uniklý signál dostatečně silný, aby rušil demodulaci požadovaného signálu.

Naopak i při ideální polarizaci a přesném vyrovnání dvou antén mohou skutečné vlivy prostředí zvýšit PLF na 10 dB, 20 dB nebo více, což zhoršuje příjem signálu. Jednoduše řečeno, nezamýšlená křížová polarizace a vysoké faktory ztráty polarizace způsobují dva nepříznivé účinky: zavádějí rušivé signály a zeslabují sílu cílového užitečného signálu.

Proč záleží na charakteristikách polarizace

Polarizace se řídí obousměrným pravidlem: čím přesněji jsou typy polarizace dvou antén zarovnány a shodné, tím vyšší je síla přijímaného signálu. Naopak špatné přizpůsobení polarizace ztěžuje cílovým přijímačům i rušicím přijímačům zachycení dostatečně silných použitelných signálů. Ve většině scénářů bezdrátový kanál mění stav polarizace vysílaného signálu nebo jedna či obě vysílací/přijímací jednotky nedokážou udržet pevnou, stacionární orientaci antény.

Volba režimu polarizace je obecně určena prostředím instalace a podmínkami šíření v atmosféře. Například horizontálně polarizované antény poskytují lepší výkon signálu a stabilnější polarizaci při montáži v blízkosti stropů; naproti tomu vertikálně polarizované antény instalované proti bočním stěnám vykazují chování polarizace bližší jejich jmenovitým konstrukčním vlastnostem.

Běžné dipólové antény (standardní dipóly / skládané dipóly) pracují při konvenční montáži v horizontální polarizaci (viz obrázek 4). Pokud je vyžadováno přizpůsobení určitému režimu polarizace, lze anténu otočit o 90° a přepnout na vertikální polarizaci (viz obrázek 5).

SHAPE \* MERGEFORMAT

Obrázek 4: Dipólové antény se pro horizontální polarizaci obvykle montují vodorovně na stožáry

SHAPE \* MERGEFORMAT

Obrázek 5: Dipólové antény lze v případě potřeby podle aplikace instalovat svisle na stožáry pro svislou polarizaci

Svislá polarizace se široce používá u ručních vysílaček, například u zařízení, která nosí pracovníci záchranných složek. Důvodem je, že většina rádiových antén se svislou polarizací má všesměrové vyzařovací charakteristiky — uživatelé tedy nemusí znovu nastavovat azimut antény ani při neustálých změnách orientace ručního zařízení.

Většinaanténpracujících v pásmu vysokých frekvencí (HF) 3–30 MHz používá jednoduché struktury dlouhých drátových antén natažených vodorovně mezi podpěrami. Jejich velká fyzická velikost je dána odpovídající vlnovou délkou (10–100 metrů) a tyto antény jsou ze své podstaty vodorovně polarizované.

Zajímavé je, že pásmo bylo pojmenováno „vysoká frekvence“ před desítkami let, kdy 30 MHz skutečně spadalo do oblasti vysokých frekvencí. Ačkoli dnes tento název působí zastarale, zůstává oficiálním označením pásma definovaným Mezinárodní telekomunikační unií (ITU) a stále se všeobecně používá.

Pásmo středních vln (MW) pokrývá rozsah 300 kHz až 3 MHz. Polarizace zvolená vysílacími stanicemi v tomto pásmu závisí na tom, zda stanice využívá pozemní vlny pro krátkodosahové pokrytí silným signálem, nebo ionosférické prostorové vlny pro dálkový přenos. Celkově poskytují svisle polarizované antény lepší šíření pozemních vln, zatímco vodorovně polarizované antény jsou vhodnější pro komunikaci pomocí prostorových vln.

Satelitní komunikace se ve velké míře spoléhají na kruhovou polarizaci. Družice neustále mění svou orientaci vzhledem k pozemním stanicím a dalším družicím. Účinnost přenosu signálu dosahuje maxima, když vysílací i přijímací strana používají kruhově polarizované antény; kombinace lineárně polarizovaných antén s kruhově polarizovanými anténami je možná, ale zavádí měřitelný faktor ztráty polarizace.

Charakteristiky polarizace jsou stejně důležité i pro systémy 5G. Některá anténní pole 5G s více vstupy a více výstupy (MIMO) využívají technologii polarizace k efektivnějšímu využití zdrojů spektra a zvýšení přenosových rychlostí. Toho se dosahuje kombinací různých polarizačních režimů signálů s prostorovým multiplexováním antén (prostorovou diverzitou). Tyto systémy současně přenášejí dva nezávislé datové toky, přičemž každý tok je přiveden k samostatným anténám se vzájemně ortogonální polarizací, což přijímači umožňuje samostatně demodulovat oba toky. Ačkoli neideální faktory včetně přenosových cest, zkreslení kanálu, odrazů a vícecestných efektů způsobují drobné rušení mezi polarizacemi, přijímače tyto vlivy interně potlačují.

Závěr

Polarizace je důležitá, avšak často přehlížená vlastnost antén. Lineární polarizace (včetně vodorovné a svislé varianty), šikmá polarizace, kruhová polarizace a eliptická polarizace jsou vhodné pro různé aplikační scénáře. Vzájemná orientace a míra přizpůsobení antén na vysílací a přijímací straně přímo určují celkový výkon celého RF spoje. Na trhu je k dispozici široká škála standardních antén pokrývajících všechny typy polarizace a RF frekvenční pásma, které umožňují realizovat polarizační řešení přizpůsobená všem cílovým aplikacím.

WWW.WHWIRELESS.COM