zprávy
Polarizace antény: Co to je a proč na ní záleží
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 relativně jednoduchých kvalitativních popisů až po složité matematické vzorce.
Polarizace je jednou z mnoha charakteristik šíření elektromagnetické energie. Její vlivy a míra, do jaké je třeba ji zohlednit, se výrazně liší podle různých aplikačních scénářů a odpovídajících návrhů antén. Základní principy polarizace platí pro veškeré elektromagnetické záření, včetně rádiových frekvencí (RF)/bezdrátových signálů a světelné energie, a polarizace se široce využívá v oblasti optiky. Tento článek se zabývá pouze pásmem rádiových frekvencí RF.
Co je polarizace antény?
Pro pochopení polarizace je třeba nejprve zvládnout základy elektromagnetických vln. Elektromagnetická vlna se skládá z elektrického pole (E-pole) a magnetického pole (H-pole), které se šíří stejným směrem. Elektrické pole a magnetické pole jsou navzájem kolmé a obě jsou kolmé ke směru šíření rovinné vlny.
Polarizace je definována jako rovina kmitání elektrického pole při pozorování od vysílacího konce směrem ke 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-přijímače dosahuje maxima, když obě sdílejí stejné polarizační roviny. Jako narážka na ikonickou větu z filmu Vetřelec z roku 1979 – „Ve vesmíru nikdo neslyší váš křik“ – ve vesmíru neexistuje žádný vlastní 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 bližší 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 kolmé 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 vytváří úhel ±45° vzhledem k horizontální rovině. Ačkoli je šikmá polarizace v zásadě 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, kdy je polarizační stav jedné nebo obou antén neznámý nebo kdy 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 dělí se na pravotočivý a levotočivý typ
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 vytváření kruhově polarizovaných vln.
- Eliptická polarizace (EP) je odvozená forma kruhové polarizace. Stejně jako kruhově polarizované vlny jsou i elipticky polarizované vlny tvořeny dvěma lineárně polarizovanými vlnami. Eliptická polarizace vzniká, když se překrývají dvě vzájemně kolmé lineárně polarizované vlny s nestejnou amplitudou.
Míra nesouladu polarizace mezi dvěma anténami se kvantifikuje pomocí činitele ztráty polarizace (PLF), měřeného v decibelech (dB). Jeho hodnota je určena úhlem polarizace mezi vysílací a přijímací anténou. Teoreticky se PLF rovná 0 dB při dokonalém přizpůsobení polarizace (nulová ztráta); pokud jsou obě antény plně ortogonálně polarizované, PLF se blíží nekonečnu (úplný útlum signálu).
V reálných aplikacích však antény nemohou dosáhnout dokonale přizpůsobené nebo plně ortogonální polarizace. Nesprávné mechanické nastavení při instalaci, chyby obsluhy, zkreslení kanálu, odrazy způsobené vícecestným šířením a další faktory zavádějí úhlovou odchylku směru polarizace vysílaného elektrického pole. I když jsou dvě antény navrženy pro ortogonální polarizaci, v praxi stále dochází ke křížovému úniku polarizace o 10 až 30 dB nebo více. V některých scénářích je tento uniklý signál dostatečně silný na to, aby rušil demodulaci požadovaného signálu.
Naopak i při ideální polarizaci a přesném vyrovnání dvou antén mohou skutečné okolní podmínky zvýšit PLF na 10 dB, 20 dB nebo více, což zhoršuje příjem signálu. Jednoduše řečeno, nezamýšlená křížová polarizace a vysoké činitele ztráty polarizace mají 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 polarizační typy dvou antén zarovnány a konzistentní, tím vyšší je síla přijímaného signálu. Naopak špatné přizpůsobení polarizace ztěžuje cílovým přijímačům i rušivým přijímačům zachytit dostatečně silné použitelné signály. Ve většině scénářů bezdrátový kanál mění polarizační stav vysílaného signálu nebo jeden či oba vysílače-přijímače nedokážou udržet pevnou, neměnnou 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 polarizační chování bližší svým jmenovitým návrhovým specifikacím.
Běžné dipólové antény (standardní dipóly / skládané dipóly) pracují při běžné montáži v horizontální polarizaci (viz obrázek 4). Pokud je třeba přizpůsobit je konkrétnímu režimu polarizace, lze anténu otočit o 90° a přepnout ji na vertikální polarizaci (viz obrázek 5).
TVAR \* SLOUČIT FORMÁT
Obrázek 4: Dipólové antény se obvykle montují vodorovně na stožáry pro horizontální polarizaci
TVAR \* MERGEFORMAT
Obrázek 5: Dipólové antény lze v případě potřeby instalovat svisle na stožáry pro svislou polarizaci podle požadavků aplikace
Svislá polarizace se široce používá u ručních vysílaček, například u zařízení používaných pracovníky záchranných složek. Je to proto, že většina svisle polarizovaných rádiových antén má všesměrové vyzařovací charakteristiky – což znamená, že uživatelé nemusí upravovat azimut antény, i když se orientace ručního zařízení neustále mění.
Většina antén pracujících v pásmu vysokých frekvencí (HF) 3–30 MHz využívá jednoduché konstrukce dlouhých drátových antén natažených vodorovně mezi podpěrami. Jejich velká fyzická velikost je dána odpovídající vlnovou délkou (10–100 metrů) a takové antény jsou ze své podstaty vodorovně polarizované.
Zajímavé je, že pásmo bylo pojmenováno „vysoká frekvence“ před desítkami let, kdy bylo 30 MHz považováno za rozsah vysokých frekvencí. Ačkoli se toto označení dnes zdá zastaralé, zůstává oficiálním označením pásma definovaným Mezinárodní telekomunikační unií (ITU) a stále se všeobecně používá.
Pásmo středních vln (MW) zahrnuje rozsah 300 kHz až 3 MHz. Polarizace zvolená vysílacími stanicemi v tomto pásmu závisí na tom, zda stanice využívá pozemní vlny pro krátkodobé 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 funguje, ale způsobuje měřitelný faktor ztráty polarizace.
Charakteristiky polarizace jsou stejně důležité pro systémy 5G. Některá anténní pole 5G Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) využívají polarizační technologie k efektivnějšímu využití zdrojů spektra a zvýšení rychlosti přenosu. Toho se dosahuje kombinací různých polarizačních režimů signálů s prostorovým multiplexováním antén (prostorovou rozmanitostí). Takové systémy přenášejí současně dva nezávislé datové toky, přičemž každý tok je veden do samostatných antén se vzájemně ortogonální polarizací, což umožňuje přijímači demodulovat oba toky odděleně. Ačkoli neideální faktory včetně drah šíření, zkreslení kanálu, odrazů a vícecestných efektů způsobují drobné rušení mezi polarizacemi, přijímače je interně potlačují.
Závěr
Polarizace je důležitá, avšak často přehlížená vlastnost antén. Lineární polarizace (včetně vodorovných a svislých variant), šikmá polarizace, kruhová polarizace a eliptická polarizace jsou vhodné pro různé scénáře použití. Relativní orientace a míra shody antén na vysílací a přijímací straně přímo určují celkový výkon celého RF spoje. Komerčně je k dispozici široká škála standardních antén pokrývajících všechny typy polarizace a RF frekvenční pásma, které poskytují polarizační řešení přizpůsobená všem cílovým aplikacím.
