что такое вертикальная и горизонтальная поляризация антенны
Теория радиоволн: антенны
Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.
Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.
Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.
Антенны
Симметричный вибратор
В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.
Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.
Диаграмма направленности симметричного вибратора
В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.
В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:
Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.
Несимметричный вибратор
Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.
Диаграмма направленности следующая:
Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.
Наклонная V-образная
Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V
Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.
Антенна бегущей волны
Также имеет название — антенна наклонный луч.
Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.
Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:
Антенна волновой канал
Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.
Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.
За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:
Рамочная антенна
Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.
Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:
Логопериодическая антенна
Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.
Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:
Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.
Поляризация
Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.
Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.
Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.
При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.
Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.
Характеристики WiFi (часть 2)
В прошлой статье мы подробно рассмотрели, что такое:
А также на том, можно ли с их помощью определить производительность устройства и выбрать WiFi точку доступа с повышенной пропускной способностью.
Одиночная поляризация
Что лучше — горизонтальная или вертикальная поляризация?
Двойная поляризация ( dual-pol)
При соединении устройств с одиночной поляризацией и двойной ( например, абонентских точек доступа и базовой станции), нужно учитывать, что пропускная способность соединения упадет до уровня однополяризационной точки, т. е. потенциал базовой станции не будет использоваться в полной мере.
Количество антенн
Некоторые пользователи полагают, что между пропускной способностью WiFi точки доступа и количеством ее антенн существует прямая зависимость: чем больше антенн, тем выше пропускная способность.
Но не все так однозначно.
Максимальная пропускная способность беспроводной точки доступа напрямую не зависит от количества антенн в нем. Хотя, конечно же, большее число антенн имеет положительное значение:
В результате пропускная способность все-таки улучшается, но, как мы уже сказали, далеко не прямо пропорционально количеству антенн.
Возможно именно поэтому в технических характеристиках оборудования данные о количестве антенн часто не указываются вообще, ввиду бесполезности этой информации.
Chain (чейн)
Chain иногда переводится как «цепь», «канал передачи/приема» или же не переводится никак, и просто транслитерируется — «чейн». Этим понятием обозначается комплексный канал, цепь приема-передачи, включая антенну. Оно напрямую описывает реализацию MIMO в устройстве и употребляется в двух вариантах:
1. Количество chain означает «сводное» количество каналов приема/передачи MIMO. Например, в технических характеристиках точки доступа с MIMO 2×2 указывается dual chain (две цепи), а в устройстве с MIMO 3 ×3 — triple chain (три цепи).
Chain и пропускная способность
Два chain и MIMO 2×2 для устройств стандарта 802.11n вовсе не гарантирует канальную скорость в 300 Мбит/сек, а MIMO 3 ×3 с тремя цепями приема-передачи совсем не означает, что максимальная пропускная способность устройства — 450 Мбит/сек.
Все дело в том, что канальная скорость напрямую зависит не от количества приемопередающих антенн, и не от количества цепей радиопередачи, а от такого параметра, как spatial streams. Если заглянуть в таблицу скоростей передачи данных для различных модуляций и схем кодирования стандартов 802.11n и 802.11ac, мы увидим, что для расчета канальной скорости устройств по стандарту используется именно этот параметр, а не chain, количество антенн или MIMO.
Spatial streams
Наконец-то мы добрались до параметра, который действительно напрямую влияет на пропускную способность. Spatial streams (SS) переводится как пространственный поток. Это пространственное объединение данных при передаче данных в режиме MIMO.
Далеко не все подозревают о существовании этого параметра по той простой причине, что многие производители просто не указывают его в спецификациях на оборудование. Характеристики MIMO обозначаются обычно как «MIMO 2×2″ или » MIMO 3×3″, в то время как полная запись параметров MIMO должна содержать еще и количество SS.
Правильные полные характеристики MIMO в оборудовании должны быть представлены записью вида:
T x R :S
Вот как раз от количества пространственных потоков и зависит максимальная канальная скорость беспроводных устройств.
Чем chain (чейн) отличается от spatial streams?
Количество чейнов показывает, сколько каналов приема-передачи устройства используются в любой момент времени.
А вот обратная ситуация, когда устройство с MIMO 3 ×3 имеет только 2 пространственных потока, а то и вовсе 1, вполне может иметь место. То есть вполне возможна ситуация, когда в параметрах устройства написано MIMO 3×3, но его канальная скорость (максимальная пропускная способность по стандарту) будет не 450 Мбит/сек, а 300 Мбит/сек (если SS=2) или 150 Мбит/сек (если SS=1).
Определяем количество spatial streams в характеристиках WiFi оборудования
К сожалению, увидеть значение этого параметра в документации многих производителей практически нереально, причем даже для устройств операторского класса. Поэтому можно попробовать определить его его самим.
Первый способ. Посмотреть, какие MCS (схемы модуляции) поддерживает устройство. Если для стандарта 802.11n используется максимум MCS7, т. е. схемы модуляции и кодирования с одним пространственным потоком, и не используются MCS 8-15 и выше, с 2-3 SS, то понятно, что точка доступа умеет работать только с 1 пространственным потоком, а значит и канальная скорость для стандарта 802.11n составит только 150 Мбит/сек.
Например, в RB922UAGS-5HPacT-NM используется чип QCA9880-BR4A-R, и если немного погуглить, то находим, что эта модель поддерживает MIMO 3х3:3, т. е. работает с тремя пространственными потоками. Соответственно, канальная скорость такого оборудования будет составлять 150 Мбит/сек *3 = 450 Мбит/сек.
Вывод
Итак, для определения максимальной пропускной способности устройств (так называемой канальной скорости) необходимо знать количество Spatial Streams. Количество приемных и передающих антенн, а также чейнов не связаны напрямую с пропускной способностью устройства.
Кроме того, при выборе оборудования необходимо обязательно учитывать поляризацию антенн: несовпадение поляризаций точек доступа приведет к тому, что соединение установить не удастся, или же его скорость будет очень низкой.
Поляризация электромагнитных волн
Поле, излучаемое антенной, состоит из электрических и магнитных силовых линий. В этом поле силовые линии электрического поля перпендикулярны силовым линиям магнитного поля. Направления обеих этих составляющих зависят от положения антенны относительно земной поверхности. Направление вектора электрической напряженности определяет направление поляризации электромагнитной волны. Различают линейную и круговую поляризацию.
Рисунок 2. Электрическое поле с вертикальной линейной поляризацией
Рисунок 2. Электрическое поле с вертикальной линейной поляризацией
Рисунок 3. Электрическое поле с горизонтальной линейной поляризацией
Линейная поляризация
Установленные горизонтально или вертикально антенны предназначены для излучения и приема, соответственно, горизонтально или вертикально поляризованных волн. В случае несовпадения поляризации волны и антенны будет меняться величина принимаемого сигнала, поскольку будет меняться величина проекции вектора поляризации волны на направление поляризации антенны.
Линейная поляризация имеет две основные формы:
Максимальный принятый сигнал соответствует ситуации, когда приемная антенна ориентирована в том же направлении, что и передающая.
Рисунок 4. Радиолокатор станции наведения ракет зенитного ракетного комплекса С-125 («Нева»).
Фото взято с сайта www.pvo.guns.ru
Конечно, в дополнении к горизонтальной и вертикальной поляризации, линейная поляризация может принимать и другие, промежуточные между этими двумя основными, направления. В частности, специально выделяются средние положения (под углом 45º):
При использовании проволочной одиночной антенны (штыревой антенны) максимальный принятый сигнал будет соответствовать ситуации, когда антенна ориентирована в пространстве так же, как и плоскость, в которой колеблется вектор электрической напряженности волны. Таким образом, вертикальная антенна используется для эффективного приема вертикально поляризованных волн, а горизонтальная – для приема горизонтально поляризованных.
Круговая поляризация
Рисунок 5. Формирование круговой поляризации.
Рисунок 5. Формирование круговой поляризации. Здесь имеется поясняющая анимация (50 кБайт). Для презентации в классе рекомендуется представление demonstrations.wolfram.com
При круговой поляризации силовые линии электрического поля вращаются на 360° с каждым циклом колебания высокочастотной энергии. Круговая поляризация возникает когда на две линейно поляризованные антенны, развернутые друг относительно друга на 90°, подаются два входных сигнала, сдвинутых по фазе на 90° друг относительно друга (Рисунок 5). Рассмотрение поляризации ведется по электрическому полю, поскольку интенсивность электромагнитной волны обычно измеряют в единицах напряженности электрического поля (вольт, милливольт или микровольт на метр). В некоторых случаях ориентация вектора электрической напряженности не остается постоянной, а вращается вместе с распространением волны в пространстве. В таких условиях существуют как горизонтальные, так и вертикальные компоненты поля, волна имеет эллиптическую поляризацию.
В зависимости от направления вращения вектора напряженности круговая поляризация может быть левой или правой. Волна с круговой поляризацией, отраженная дождевой каплей сферической формы, меняет направление поляризации на противоположное. Приемная антенна не пропускает волну с направлением поляризации, противоположным излученной, тем самым сводя к минимуму сигнал от дождевых капель. Отражение от самолета или другой реальной цели будет иметь существенно большую интенсивность, поскольку форма цели не является сферической.
Для наилучшего приема отраженных сигналов поляризации приемной и передающей антенн должны совпадать. В противном случае возникают значительные потери, на практике достигающие 20 … 30 дБ.
При возникновении сильных помех, вызванных отражениями от гидрометеоров, часто применяют круговую поляризацию (если такая возможность имеется). Это дает возможность снизить влияние маскирования полезного сигнала помехами.
Деполяризация
При рассеянии на цели электромагнитной волны ее поляризация может изменяться. В оптическом диапазоне деполяризацией называют изменения в степени поляризованности частично поляризованной волны при ее рассеянии. Например, рассеянная целью волна может иметь большую степень поляризации чем падающая на нее волна, в этом случае деполяризация имеет отрицательную величину.
Деполяризация также показывает пространственное или временное изменение степени поляризации для полностью поляризованной волны, что означает, что может меняться ориентация плоскости поляризации. В этом значении термин «деполяризация» используется, когда речь идет о когерентных высокочастотных волнах. Двухполяризационные метеорологические радиолокаторы имеют возможность излучать волны на двух ортогональных поляризациях (H или V) и принимать как на той же поляризации так и на кросс-поляризации (ортогональной). В таких случаях используют следующие обозначения приемных каналов:
Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)
Антенны
Определение антенны
Как правило, при двусторонней связи одна и та же антенна используется как для приема, так и для передачи сигнала. Такой подход возможен, потому что любая антенна с равной эффективностью поставляет энергию из окружающей среды к принимающим терминалам и от передающих терминалов в окружающую среду.
Для правильной настройки антенн разберем некоторые ее характеристики.
Диаграмма направленности
Антенны излучают энергию во всех направлениях. Однако в большинстве случаев эффективность передачи сигнала для различных направлений неодинакова. Наиболее распространенным способом определения эффективности антенны является диаграмма направленности, которая представляет собой зависимость излучающих свойств антенны от пространственных координат. Диаграммы направленности антенн представляются как двухмерное поперечное сечение трехмерной диаграммы.
Размер диаграммы направленности может быть произвольным. Важно лишь, чтобы в каждом направлении были соблюдены пропорции. Чтобы на основе относительного расстояния определить приведенную мощность в заданном направлении, от точки размещения антенны до пересечения с диаграммой направленности проводят прямую линию под соответствующим углом наклона. На рис. 11.1б для двух антенн сравниваются два угла передачи сигнала (А и Б). Изотропной антенне соответствует ненаправленная круговая диаграмма; векторы А и Б равны по величине.
Поляризация антенн
Важной характеристикой антенны является ее поляризация. В системах радиодоступа используют антенны с вертикальной, горизонтальной и круговой (с правым и левым вращением ) поляризациями ( рис. 11.2).
В плоской электромагнитной волне векторы вертикального электрического 
и магнитного 
полей в каждый момент времени ориентированы в пространстве определенным образом. Поляризация электромагнитной волны является ее пространственно-временной характеристикой и определяется видом траектории, описываемой концом вектора электрического поля в фиксированной точке пространства. На антеннах с поляризацией на задней стороне есть указатель в виде стрелки, который и определяет необходимую поляризацию.
При круговой или циклической поляризации электромагнитное поле вращается вокруг оси 
с определенным циклом, или шагом, так, что в разных точках пространства принимает или вертикальную, или горизонтальную поляризацию. Такой вид поляризации применяется сравнительно редко.
Поляризация антенны или поляризации
— обзор, резюме, учебник по РЧ антенне или поляризации антенны и влиянию поляризации на РЧ антенны и радиосвязь.
Для большинства антенн очень легко определить поляризацию. Он просто находится в одной плоскости с элементами антенны. Таким образом, вертикальная антенна (то есть антенна с вертикальными элементами) лучше всего будет принимать сигналы с вертикальной поляризацией, и точно так же горизонтальная антенна будет принимать сигналы с горизонтальной поляризацией.
Электромагнитная волна
Важно согласовать поляризацию РЧ-антенны с поляризацией входящего сигнала. Таким образом получается максимальный сигнал. Если поляризация РЧ антенны не совпадает с поляризацией сигнала, происходит соответствующее уменьшение уровня сигнала. Он уменьшается на коэффициент косинуса угла между поляризацией РЧ антенны и сигналом.
Соответственно, очень важна поляризация антенн, расположенных в свободном пространстве, и, очевидно, они должны находиться в одной и той же плоскости для обеспечения оптимального сигнала. Если бы они находились под прямым углом друг к другу (т.е. кросс-поляризованы), то теоретически сигнал не принимался бы.
Для приложений наземной радиосвязи обнаружено, что после передачи сигнала его поляризация в целом остается прежней. Однако отражения от объектов на пути могут изменить поляризацию. Поскольку принятый сигнал представляет собой сумму прямого сигнала плюс несколько отраженных сигналов, общая поляризация сигнала может немного измениться, хотя в целом остается неизменной.
Поляризационные Категории Новые
Другая форма поляризации известна как эллиптическая поляризация. Это происходит, когда есть смесь линейной и круговой поляризации. Это можно визуализировать, как и раньше, по кончику вектора электрического поля, идущему от штопора эллиптической формы.
Однако антенны с линейной поляризацией могут принимать сигналы с круговой поляризацией и наоборот. Сила будет одинаковой, независимо от того, установлена ли линейно поляризованная антенна вертикально, горизонтально или в любой другой плоскости, но направлена на приходящий сигнал. Будет некоторое ухудшение, поскольку уровень сигнала будет на 3 дБ ниже, чем если бы использовалась антенна с круговой поляризацией того же чувства. Такая же ситуация существует, когда антенна с круговой поляризацией принимает сигнал с линейной поляризацией.
Применение антенны поляризации
В разных приложениях используются разные типы поляризации, чтобы использовать их преимущества. Линейная поляризация, безусловно, наиболее широко используется в большинстве приложений радиосвязи. Вертикальная поляризация часто используется для мобильной радиосвязи. Это связано с тем, что многие конструкции антенн с вертикальной поляризацией имеют всенаправленную диаграмму направленности, и это означает, что антенны не нужно переориентировать в положение, как это всегда бывает для мобильной радиосвязи при движении транспортного средства. Для других приложений радиосвязи поляризация часто определяется соображениями радиочастотной антенны. Некоторые большие многоэлементные антенные решетки легче монтировать в горизонтальной плоскости, чем в вертикальной. Это связано с тем, что элементы РЧ-антенны расположены под прямым углом к вертикальной опоре, на которой они установлены, и, следовательно, при использовании антенны с горизонтальными элементами между ними меньше физических и электрических помех. Во многих случаях это определяет стандартную поляризацию.
В некоторых приложениях есть различия в производительности между горизонтальной и вертикальной поляризацией. Например, станции средневолнового вещания обычно используют вертикальную поляризацию, потому что распространение земной волны над землей значительно лучше при использовании вертикальной поляризации, тогда как горизонтальная поляризация показывает незначительное улучшение для связи на большие расстояния с использованием ионосферы. Круговая поляризация иногда используется для спутниковой радиосвязи, поскольку есть некоторые преимущества с точки зрения распространения и преодоления замирания, вызванного изменением ориентации спутника.