WiFi-routerantenne
Antennepolarisatie: wat het is en waarom het belangrijk is
Geschatte leestijd: 15 minuten
Elke elektronica-ingenieur weet dat antennes signalen verzenden en ontvangen in de vorm van elektromagnetische golven (golven van elektromagnetische energie), waarvan de eigenschappen kunnen worden beschreven met de vergelijkingen van Maxwell. Zoals veel gespecialiseerde technische onderwerpen kunnen we deze vergelijkingen, samen met de voortplantingsregels en kenmerken van elektromagnetische golven, vanuit meerdere dimensies interpreteren—variërend van relatief eenvoudige kwalitatieve beschrijvingen tot complexe, ingewikkelde wiskundige formules.
Polarisatie is een van de vele kenmerken van de voortplanting van elektromagnetische energie. De effecten ervan en de mate waarin ermee rekening moet worden gehouden, verschillen sterk per toepassingsscenario en bijbehorende antenneontwerpen. De fundamentele principes van polarisatie zijn van toepassing op alle elektromagnetische straling, waaronder radiofrequentie (RF)/draadloze signalen en lichtgolfenergie, en polarisatie wordt veel gebruikt op het gebied van optica. Dit artikel behandelt alleen de RF-frequentieband.
Wat is antennepolarisatie?
Om polarisatie te begrijpen, moet men eerst de basisprincipes van elektromagnetische golven beheersen. Een elektromagnetische golf bestaat uit een elektrisch veld (E-veld) en een magnetisch veld (H-veld) die zich in dezelfde richting voortbewegen. Het elektrische veld en het magnetische veld staan loodrecht op elkaar, en beide staan loodrecht op de voortplantingsrichting van de vlakke golf.
Polarisatie wordt gedefinieerd als het trillingsvlak van het elektrische veld wanneer men vanaf het zendende uiteinde in de richting van de golfvoortplanting kijkt. Bij horizontale polarisatie oscilleert het elektrische veld heen en weer binnen het horizontale vlak; bij verticale polarisatie trilt het elektrische veld op en neer binnen het verticale vlak (zie afbeelding 1).
Afbeelding 1: Elektromagnetische golf met onderling loodrechte componenten van het elektrische en magnetische veld
Zend- en ontvangstantennes vormen een antennepaar, en de prestaties van de zendontvanger bereiken hun maximum wanneer de twee dezelfde polarisatievlakken delen. Als verwijzing naar de iconische zin uit de film uit 1979 Alien—“In de ruimte kan niemand je horen schreeuwen”—bestaat er in de ruimte geen inherent onderscheid tussen horizontale en verticale polarisatie. Toch blijven de theorieën van polarisatiematching en antenne-uitlijning gelden voor het maximaliseren van signaalenergieoverdracht en -ontvangst.
Lineaire en circulaire polarisatie
Elektromagnetische golven kennen meerdere polarisatiemodi:
- Basislineaire polarisatie omvat twee onderling orthogonale (loodrechte) polarisatievormen (zie afbeelding 2). Theoretisch kan een horizontaal gepolariseerde ontvangstantenne geen enkel signaal opvangen dat wordt uitgezonden door een verticaal gepolariseerde zendantenne die op dezelfde frequentie werkt, en omgekeerd. Hoe dichter de polarisatierichtingen van de twee antennes bij elkaar liggen, hoe sterker het ontvangen signaal; de efficiëntie van de signaalenergieoverdracht bereikt een maximum wanneer de polarisatie perfect overeenkomt.
Afbeelding 2: Lineaire polarisatie biedt twee onderling orthogonale polarisatievormen
- Schuine polarisatie is een variant van lineaire polarisatie. Net als bij standaard horizontale en verticale polarisatie is deze definitie alleen van toepassing op situaties op de grond. Schuine polarisatie vormt een hoek van ±45° ten opzichte van het horizontale vlak. Hoewel schuine polarisatie fundamenteel lineair is, bedoelen professionals in de industrie met “lineaire polarisatie” meestal uitsluitend horizontaal of verticaal gepolariseerde antennes.
- Signalen die worden uitgezonden of ontvangen door antennes met schuine polarisatie kunnen worden opgevangen door puur horizontaal of verticaal gepolariseerde antennes, zij het met een bepaalde hoeveelheid signaalverlies. Antennes met schuine polarisatie zijn ideaal voor toepassingen waarbij de polarisatietoestand van een of beide antennes onbekend is, of waarbij polarisatie tijdens gebruik verschuift.
- Circulaire polarisatie (CP) is complexer dan lineaire polarisatie. In deze polarisatiemodus draait de elektrische veldvector continu terwijl het signaal zich voortplant. Wanneer men vanaf het zendende uiteinde naar buiten kijkt, wordt de rotatie met de klok mee van de elektrische veldvector Right-Hand Circular Polarization (RHCP) genoemd; rotatie tegen de klok in wordt Left-Hand Circular Polarization (LHCP) genoemd (zie afbeelding 3).
Afbeelding 3: De elektrische veldvector van circulair gepolariseerde elektromagnetische golven draait en wordt verdeeld in rechtsdraaiende en linksdraaiende typen
Circulair gepolariseerde signalen worden gevormd door twee orthogonale elektromagnetische golven met een faseverschuiving van 90° over elkaar heen te leggen. Aan drie criteria moet worden voldaan om circulaire polarisatie te genereren: het elektrische veld moet twee orthogonale componenten bevatten; de twee componenten moeten een faseverschil van 90° hebben; en beide componenten moeten dezelfde amplitude hebben. Helixantennes bieden een eenvoudige oplossing voor het genereren van circulair gepolariseerde golven.
- Elliptische polarisatie (EP) is een afgeleide van circulaire polarisatie. Net als circulair gepolariseerde golven worden elliptisch gepolariseerde golven samengesteld uit twee lineair gepolariseerde golven. Elliptische polarisatie ontstaat wanneer twee onderling loodrechte lineair gepolariseerde golven met ongelijke amplitude over elkaar heen worden gelegd.
De mate van polarisatiemismatch tussen twee antennes wordt gekwantificeerd door de Polarization Loss Factor (PLF), gemeten in decibel (dB). De waarde ervan wordt bepaald door de polarisatiehoek tussen de zend- en ontvangstantenne. Theoretisch is PLF gelijk aan 0 dB bij perfecte polarisatiematching (geen verlies); als de twee antennes volledig orthogonaal gepolariseerd zijn, nadert PLF oneindig (volledige signaalverzwakking).
In toepassingen uit de echte wereld kunnen antennes echter geen perfect overeenkomende of volledig orthogonale polarisatie bereiken. Mechanische installatieafwijkingen, menselijke bedieningsfouten, kanaalvervorming, multipath-reflecties en andere factoren veroorzaken allemaal een hoekafwijking in de polarisatierichting van het uitgezonden elektrische veld. Zelfs als twee antennes zijn ontworpen voor orthogonale polarisatie, treedt in de praktijk nog steeds kruispolarisatielekkage van 10 tot 30 dB of hoger op. In sommige scenario's is dit gelekte signaal sterk genoeg om de demodulatie van het gewenste signaal te verstoren.
Omgekeerd kunnen zelfs met ideale polarisatie en nauwkeurige uitlijning van twee antennes omgevingsfactoren in de echte wereld PLF verhogen tot 10 dB, 20 dB of hoger, waardoor signaalontvangst verslechtert. Eenvoudig gezegd veroorzaken onbedoelde kruispolarisatie en hoge polarisatieverliesfactoren twee nadelige effecten: ze introduceren stoorsignalen en verzwakken de sterkte van het nuttige doelsignaal.
Waarom polarisatiekenmerken belangrijk zijn
Polarisatie volgt een bidirectionele regel: hoe beter de polarisatietypen van twee antennes op elkaar zijn afgestemd en consistent zijn, hoe hoger de ontvangen signaalsterkte. Daarentegen maakt slechte polarisatiematching het moeilijk voor zowel doelontvangers als interferentieontvangers om voldoende bruikbare signalen op te vangen. In de meeste scenario's verandert het draadloze kanaal de polarisatietoestand van het uitgezonden signaal, of kunnen een of beide zendontvangers geen vaste, stationaire antenneoriëntatie behouden.
De keuze van de polarisatiemodus wordt over het algemeen bepaald door de installatieomgeving en atmosferische voortplantingsomstandigheden. Horizontaal gepolariseerde antennes leveren bijvoorbeeld betere signaalprestaties en stabielere polarisatie wanneer ze nabij plafonds worden gemonteerd; daarentegen vertonen verticaal gepolariseerde antennes die tegen zijmuren zijn geïnstalleerd polarisatiegedrag dat dichter bij hun nominale ontwerpspecificaties ligt.
Veelgebruikte dipoolantennes (standaarddipolen / gevouwen dipolen) werken bij conventionele montage in horizontale polarisatie (zie afbeelding 4). Indien nodig om aan een specifieke polarisatiemodus te voldoen, kan de antenne 90° worden gedraaid om over te schakelen naar verticale polarisatie (zie afbeelding 5).
VORM \* SAMENVOEGENFORMATERING
Afbeelding 4: Dipoolantennes worden doorgaans horizontaal op masten gemonteerd voor horizontale polarisatie
VORM \* SAMENVOEGENFORMATERING
Figuur 5: Dipoolantennes kunnen verticaal op masten worden geïnstalleerd voor verticale polarisatie wanneer dit door de toepassing wordt vereist
Verticale polarisatie wordt veel gebruikt in draagbare portofoons, zoals apparaten die door personeel voor noodhulp worden gedragen. Dit komt doordat de meeste verticaal gepolariseerde radioantennes omnidirectionele stralingspatronen hebben—wat betekent dat gebruikers de azimut van de antenne niet opnieuw hoeven aan te passen, zelfs wanneer de oriëntatie van het draagbare apparaat voortdurend verandert.
De meeste antennes die werken in de High Frequency (HF)-band van 3–30 MHz maken gebruik van eenvoudige longwire-antenneconstructies die horizontaal tussen steunpunten zijn gespannen. Hun grote fysieke afmetingen worden bepaald door de overeenkomstige golflengte (10–100 meter), en dergelijke antennes zijn van nature horizontaal gepolariseerd.
Opmerkelijk genoeg werd de band decennia geleden “High Frequency” genoemd, toen 30 MHz als een hoge frequentie werd beschouwd. Hoewel de benaming tegenwoordig verouderd lijkt, blijft deze de officiële bandaanduiding die is vastgesteld door de International Telecommunication Union (ITU) en wordt deze nog steeds wereldwijd gebruikt.
De Medium Wave (MW)-band loopt van 300 kHz tot 3 MHz. De polarisatie die door omroepstations in deze band wordt gekozen, hangt ervan af of het station vertrouwt op grondgolven voor sterke signaaldekking over korte afstanden of op ionosferische ruimtegolven voor transmissie over lange afstanden. Over het algemeen leveren verticaal gepolariseerde antennes een betere voortplanting van grondgolven, terwijl horizontaal gepolariseerde antennes beter geschikt zijn voor ruimtegolfcommunicatie.
Satellietcommunicatie maakt sterk gebruik van circulaire polarisatie. Satellieten veranderen voortdurend hun oriëntatie ten opzichte van grondstations en andere satellieten. De efficiëntie van signaaloverdracht bereikt een maximum wanneer zowel zend- als ontvangzijde circulair gepolariseerde antennes gebruiken; het combineren van lineair gepolariseerde antennes met circulair gepolariseerde antennes werkt wel, maar introduceert een meetbare polarisatieverliesfactor.
Polarisatiekenmerken zijn eveneens van cruciaal belang voor 5G-systemen. Bepaalde 5G Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)-antennearrays maken gebruik van polarisatietechnologie om spectrumbronnen efficiënter te benutten en de doorvoersnelheden te verhogen. Dit wordt bereikt door verschillende polarisatiemodi van signalen te combineren met ruimtelijke multiplexing van antennes (ruimtelijke diversiteit). Dergelijke systemen verzenden twee onafhankelijke datastromen tegelijkertijd, waarbij elke stroom naar afzonderlijke antennes met onderling orthogonale polarisatie wordt gevoerd, waardoor de ontvanger de twee stromen afzonderlijk kan demoduleren. Hoewel niet-ideale factoren, waaronder voortplantingspaden, kanaalvervorming, reflecties en multipath-effecten, geringe kruispolarisatie-interferentie veroorzaken, beperken ontvangers dit intern.
Conclusie
Polarisatie is een belangrijke maar vaak over het hoofd geziene eigenschap van antennes. Lineaire polarisatie (inclusief horizontale en verticale varianten), schuine polarisatie, circulaire polarisatie en elliptische polarisatie zijn elk geschikt voor verschillende toepassingsscenario's. De relatieve oriëntatie en mate van aanpassing van antennes aan de zend- en ontvangzijde bepalen rechtstreeks de algehele prestaties van de volledige RF-verbinding. Er is een grote verscheidenheid aan standaardantennes beschikbaar die alle polarisatietypen en RF-frequentiebanden omvatten, om polarisatieschema's te leveren die zijn afgestemd op alle doeltoepassingen.
