Các kỹ sư điện tử biết rằng ăng-ten gửi và nhận tín hiệu dưới dạng sóng năng lượng điện từ (EM) được mô tả bởi các phương trình Maxwell. Cũng như nhiều chủ đề khác, các phương trình này, cùng với sự lan truyền và các đặc tính của điện từ, có thể được nghiên cứu ở nhiều cấp độ khác nhau, từ các thuật ngữ tương đối định tính đến các phương trình phức tạp.
Có nhiều khía cạnh liên quan đến sự lan truyền năng lượng điện từ, một trong số đó là phân cực, có thể có mức độ tác động hoặc mối quan tâm khác nhau trong các ứng dụng và thiết kế ăng-ten của chúng. Các nguyên tắc cơ bản của phân cực áp dụng cho tất cả các bức xạ điện từ, bao gồm RF/không dây, năng lượng quang học và thường được sử dụng trong các ứng dụng quang học.
Phân cực ăng-ten là gì?
Trước khi tìm hiểu về phân cực, trước tiên chúng ta cần hiểu các nguyên lý cơ bản của sóng điện từ. Sóng điện từ được tạo thành từ điện trường (trường E) và từ trường (trường H) và di chuyển theo một hướng. Trường E và H vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng phẳng.
Phân cực đề cập đến mặt phẳng trường E theo góc nhìn của bộ truyền tín hiệu: đối với phân cực ngang, trường điện sẽ di chuyển sang ngang trong mặt phẳng ngang, trong khi đối với phân cực dọc, trường điện sẽ dao động lên xuống trong mặt phẳng dọc. (hình 1).
Hình 1: Sóng năng lượng điện từ bao gồm các thành phần trường E và H vuông góc với nhau
Phân cực tuyến tính và phân cực tròn
Các chế độ phân cực bao gồm:
Trong phân cực tuyến tính cơ bản, hai phân cực khả dĩ là trực giao (vuông góc) với nhau (Hình 2). Về lý thuyết, một ăng-ten thu phân cực ngang sẽ không "nhìn thấy" tín hiệu từ một ăng-ten phân cực dọc và ngược lại, ngay cả khi cả hai hoạt động ở cùng tần số. Chúng càng được căn chỉnh tốt, tín hiệu được thu càng nhiều và việc truyền năng lượng được tối đa hóa khi các phân cực trùng khớp.
Hình 2: Phân cực tuyến tính cung cấp hai tùy chọn phân cực vuông góc với nhau
Phân cực xiên của ăng-ten là một loại phân cực tuyến tính. Giống như phân cực ngang và dọc cơ bản, phân cực này chỉ có ý nghĩa trong môi trường trên mặt đất. Phân cực xiên tạo thành một góc ±45 độ so với mặt phẳng tham chiếu ngang. Mặc dù đây thực chất chỉ là một dạng phân cực tuyến tính khác, thuật ngữ "tuyến tính" thường chỉ đề cập đến ăng-ten phân cực ngang hoặc dọc.
Mặc dù có một số suy hao, tín hiệu được gửi (hoặc nhận) bởi ăng-ten chéo chỉ khả thi với các ăng-ten phân cực ngang hoặc dọc. Ăng-ten phân cực xiên hữu ích khi phân cực của một hoặc cả hai ăng-ten không xác định hoặc thay đổi trong quá trình sử dụng.
Phân cực tròn (CP) phức tạp hơn phân cực tuyến tính. Ở chế độ này, phân cực được biểu diễn bởi vectơ trường E xoay khi tín hiệu lan truyền. Khi xoay sang phải (nhìn từ máy phát), phân cực tròn được gọi là phân cực tròn thuận tay phải (RHCP); khi xoay sang trái, phân cực tròn thuận tay trái (LHCP) (Hình 3)
Hình 3: Trong phân cực tròn, vectơ trường E của sóng điện từ quay; sự quay này có thể theo chiều phải hoặc chiều trái
Tín hiệu CP bao gồm hai sóng trực giao lệch pha. Cần có ba điều kiện để tạo ra tín hiệu CP. Trường E phải bao gồm hai thành phần trực giao; hai thành phần này phải lệch pha 90 độ và có biên độ bằng nhau. Một cách đơn giản để tạo ra CP là sử dụng ăng-ten xoắn ốc.
Phân cực elip (EP) là một loại sóng phân cực elip. Sóng phân cực elip là độ lợi được tạo ra bởi hai sóng phân cực tuyến tính, tương tự như sóng CP. Khi hai sóng phân cực tuyến tính vuông góc với nhau có biên độ không bằng nhau được kết hợp, một sóng phân cực elip được tạo ra.
Sự không tương thích phân cực giữa các ăng-ten được mô tả bằng hệ số suy hao phân cực (PLF). Thông số này được biểu thị bằng decibel (dB) và là hàm số của chênh lệch góc phân cực giữa ăng-ten phát và thu. Về mặt lý thuyết, PLF có thể dao động từ 0 dB (không suy hao) đối với ăng-ten được căn chỉnh hoàn hảo đến vô hạn dB (suy hao vô hạn) đối với ăng-ten trực giao hoàn hảo.
Tuy nhiên, trên thực tế, việc căn chỉnh (hoặc sai lệch) phân cực không hoàn hảo vì vị trí cơ học của ăng-ten, hành vi người dùng, méo kênh, phản xạ đa đường và các hiện tượng khác có thể gây ra một số méo góc của trường điện từ được truyền đi. Ban đầu, sẽ có 10 - 30 dB hoặc hơn "rò rỉ" phân cực chéo tín hiệu từ phân cực trực giao, trong một số trường hợp có thể đủ để gây nhiễu cho việc khôi phục tín hiệu mong muốn.
Ngược lại, PLF thực tế của hai ăng-ten được căn chỉnh với phân cực lý tưởng có thể là 10 dB, 20 dB hoặc cao hơn, tùy thuộc vào hoàn cảnh, và có thể cản trở việc khôi phục tín hiệu. Nói cách khác, phân cực chéo ngoài ý muốn và PLF có thể hoạt động theo cả hai cách bằng cách gây nhiễu tín hiệu mong muốn hoặc làm giảm cường độ tín hiệu mong muốn.
Tại sao phải quan tâm đến sự phân cực?
Phân cực hoạt động theo hai cách: hai ăng-ten càng thẳng hàng và có cùng độ phân cực thì cường độ tín hiệu thu được càng tốt. Ngược lại, độ phân cực kém khiến máy thu, dù có chủ đích hay không, khó thu được đủ tín hiệu mong muốn. Trong nhiều trường hợp, "kênh" làm méo phân cực truyền đi, hoặc một hoặc cả hai ăng-ten không ở cùng một hướng tĩnh cố định.
Việc lựa chọn loại phân cực nào thường phụ thuộc vào điều kiện lắp đặt hoặc khí quyển. Ví dụ, ăng-ten phân cực ngang sẽ hoạt động tốt hơn và duy trì được độ phân cực khi lắp đặt gần trần nhà; ngược lại, ăng-ten phân cực dọc sẽ hoạt động tốt hơn và duy trì được độ phân cực khi lắp đặt gần tường bên.
Ăng-ten lưỡng cực được sử dụng rộng rãi (trơn hoặc gấp) được phân cực theo chiều ngang theo hướng lắp đặt "bình thường" của nó (Hình 4) và thường được xoay 90 độ để đảm bảo phân cực theo chiều dọc khi cần thiết hoặc để hỗ trợ chế độ phân cực ưu tiên (Hình 5).
Hình 4: Ăng-ten lưỡng cực thường được lắp theo chiều ngang trên cột của nó để cung cấp phân cực ngang
Hình 5: Đối với các ứng dụng yêu cầu phân cực dọc, ăng-ten lưỡng cực có thể được lắp đặt phù hợp với vị trí ăng-ten bắt được
Phân cực dọc thường được sử dụng cho các thiết bị vô tuyến di động cầm tay, chẳng hạn như các thiết bị được sử dụng bởi lực lượng ứng cứu khẩn cấp, vì nhiều thiết kế ăng-ten vô tuyến phân cực dọc cũng cung cấp mẫu bức xạ đa hướng. Do đó, các ăng-ten như vậy không cần phải định hướng lại ngay cả khi hướng của vô tuyến và ăng-ten thay đổi.
Ăng-ten tần số cao (HF) 3 - 30 MHz thường được chế tạo bằng các sợi dây dài đơn giản được xâu lại với nhau theo chiều ngang giữa các giá đỡ. Chiều dài của chúng được xác định bởi bước sóng (10 - 100 m). Loại ăng-ten này có phân cực ngang tự nhiên.
Điều đáng chú ý là việc gọi băng tần này là "tần số cao" đã bắt đầu từ nhiều thập kỷ trước, khi 30 MHz thực sự là tần số cao. Mặc dù cách mô tả này hiện nay có vẻ đã lỗi thời, nhưng nó vẫn là tên gọi chính thức của Liên minh Viễn thông Quốc tế và vẫn được sử dụng rộng rãi.
Độ phân cực ưu tiên có thể được xác định theo hai cách: sử dụng sóng mặt đất để truyền tín hiệu tầm ngắn mạnh hơn bằng thiết bị phát sóng sử dụng băng tần sóng trung (MW) 300 kHz - 3 MHz, hoặc sử dụng sóng trời cho khoảng cách xa hơn qua Liên kết tầng điện ly. Nhìn chung, ăng-ten phân cực dọc có khả năng truyền sóng mặt đất tốt hơn, trong khi ăng-ten phân cực ngang có hiệu suất sóng trời tốt hơn.
Phân cực tròn được sử dụng rộng rãi cho vệ tinh vì hướng của vệ tinh so với các trạm mặt đất và các vệ tinh khác liên tục thay đổi. Hiệu suất giữa ăng-ten phát và thu cao nhất khi cả hai đều phân cực tròn, nhưng ăng-ten phân cực tuyến tính cũng có thể được sử dụng với ăng-ten CP, mặc dù có hệ số suy hao phân cực.
Phân cực cũng rất quan trọng đối với hệ thống 5G. Một số mảng ăng-ten MIMO (đa đầu vào/đa đầu ra) 5G đạt được thông lượng tăng lên bằng cách sử dụng phân cực để tận dụng hiệu quả hơn phổ tần khả dụng. Điều này đạt được bằng cách kết hợp các phân cực tín hiệu khác nhau và ghép kênh không gian của ăng-ten (phân tập không gian).
Hệ thống có thể truyền hai luồng dữ liệu vì các luồng dữ liệu được kết nối bằng các ăng-ten phân cực trực giao độc lập và có thể được khôi phục độc lập. Ngay cả khi có một số phân cực chéo do méo đường truyền và kênh, phản xạ, đa đường và các khiếm khuyết khác, bộ thu vẫn sử dụng các thuật toán tinh vi để khôi phục từng tín hiệu gốc, mang lại tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp và cuối cùng là cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần.
kết luận
Phân cực là một đặc tính quan trọng của ăng-ten nhưng thường bị bỏ qua. Phân cực tuyến tính (bao gồm cả phân cực ngang và dọc), phân cực xiên, phân cực tròn và phân cực elip được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Phạm vi hiệu suất RF đầu cuối mà ăng-ten có thể đạt được phụ thuộc vào hướng và sự căn chỉnh tương đối của nó. Ăng-ten tiêu chuẩn có các phân cực khác nhau và phù hợp với các phần khác nhau của quang phổ, mang lại phân cực ưu tiên cho ứng dụng mục tiêu.
Sản phẩm được đề xuất:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Các thông số | Đặc trưng | Đơn vị |
| Dải tần số | 20-30 | GHz |
| Nhận được | 15 Kiểu | dBi |
| VSWR | 1.3 Kiểu | |
| Phân cực | Hai Tuyến tính | |
| Cross Pol. Cô lập | 60 Kiểu | dB |
| Cô lập cổng | 70 Kiểu | dB |
| Đầu nối | SMA-Femail | |
| Vật liệu | Al | |
| Hoàn thiện | Sơn | |
| Kích cỡ(Dài*Rộng*Cao) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Cân nặng | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Mục | Đặc điểm kỹ thuật | Đơn vị |
| Dải tần số | 1-18 | GHz |
| Nhận được | 10 Kiểu | dBi |
| VSWR | 1.5 Kiểu | |
| Phân cực | Tuyến tính | |
| Cách ly chéo Po. | 30 Kiểu | dB |
| Đầu nối | SMA-Nữ | |
| Hoàn thiện | Pkhông phải | |
| Vật liệu | Al | |
| Kích cỡ(Dài*Rộng*Cao) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
| Cân nặng | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Các thông số | Đặc trưng | Đơn vị |
| Dải tần số | 2-18 | GHz |
| Nhận được | 15 Kiểu | dBi |
| VSWR | 1.5 Kiểu |
|
| Phân cực | Hai Tuyến tính |
|
| Cross Pol. Cô lập | 40 | dB |
| Cô lập cổng | 40 | dB |
| Đầu nối | SMA-F |
|
| Xử lý bề mặt | Pkhông phải |
|
| Kích cỡ(Dài*Rộng*Cao) | 276*147*147(±5) | mm |
| Cân nặng | 0,945 | kg |
| Vật liệu | Al |
|
| Nhiệt độ hoạt động | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Các thông số | Đặc trưng | Đơn vị |
| Dải tần số | 93-95 | GHz |
| Nhận được | 22 Kiểu | dBi |
| VSWR | 1.3 Kiểu |
|
| Phân cực | Hai Tuyến tính |
|
| Cross Pol. Cô lập | 60 Kiểu | dB |
| Cô lập cổng | 67 Kiểu | dB |
| Đầu nối | WR10 |
|
| Vật liệu | Cu |
|
| Hoàn thiện | Vàng |
|
| Kích cỡ(Dài*Rộng*Cao) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Cân nặng | 0,015 | kg |
Thời gian đăng: 11-04-2024
